Wetenschappers hebben het afweersysteem van een bacterie zo gehackt dat hij nu dienstdoet als moleculaire cassetterecorder.
Ken je de cassetterecorder nog? Met dit bandje kon je in de jaren 80 en 90 muziek opnemen en weer afspelen. Inmiddels gebruiken we gewoonweg onze telefoon hiervoor, maar wetenschappers van Columbia University Medical Center hebben het opnameapparaat nieuw leven ingeblazen; in een bacterie welteverstaan.
Moleculair geheugensysteem
Het afweersysteem van een bacterie als E. coli is gebaseerd op CRISPR-Cas. Dit enzymencomplex knipt kleine stukjes DNA van elk aanvallend virus (bacteriofaag genoemd) en bewaart die in een DNA-bibliotheek. Mocht de faag nog een keer op zijn pad komen, dan weet de bacterie hem direct te herkennen en razendsnel uit te schakelen.
Dit vernuftige knip-en-plak-systeem is door genetici de laatste jaren aangepast en geldt nu als dé revolutionaire gene editing-methode waarmee ziekten als kanker en HIV zijn te bestrijden. Maar de onderzoekers van Columbia tonen aan dat CRISPR-Cas ook prima werkt als moleculair geheugensysteem.
Tijdstempel
Dit deden ze door in de E.coli-bacteriën circulaire stukjes DNA te brengen. Deze plasmiden hadden verschillende functies. Elke plasmide reageerde op een bepaalde chemische verandering van binnen de cel, bijvoorbeeld een toename aan koperdeeltjes of suikers. Als reactie daarop maakte het betreffende plasmide snel veel kopieën van zichzelf aan.
Een ander type plasmide, de recording-plasmide, activeert als reactie hierop het CRISPR-Cas-systeem en zorgt ervoor dat het uit het plasmide geknipt stukje DNA een tijdstempel krijgt, voor het in de DNA-bibliotheek van de bacterie wordt gezet.
Ook wanneer er geen signalen zijn, gaat de opname door. In dat geval zorgt de recording-plasmide ervoor dat CRISPR-Cas een ‘loze’ DNA-sequentie in de bibliotheek schrijft.
DNA-bibliotheek
Het eindresultaat is een DNA-bibliotheek bestaande uit een serie bekende stukjes DNA met loze ruimtes ertussen die kunnen worden afgelezen door de onderzoekers. Zij weten nu precies welke chemische verandering plaatsvond en wanneer. Inderdaad, een soort moleculaire cassetterecorder dus.
Het onderzoeksteam noemt de technologie Temporal Recording in Arrays by CRISPR Expansion (TRACE). Uit het experiment blijkt dat TRACE in de bacteriën ten minste drie verschillende typen chemische veranderingen kan opslaan en dagenlang kan opnemen.
Bacteriën inslikken
Het op deze manier inzetten van CRISPR-Cas kan weleens goed nieuws zijn voor ziektediagnostiek. Je zou als patiënt zulke gemodificeerde bacteriën kunnen inslikken, waarna ze als ieniemienie-recorders stoffen kunnen registreren die betrokken zijn bij bepaalde ziekten.
Van ziekten als Parkinson, Chronische vermoeidheidssyndroom en MS wordt namelijk vermoed dat ze in het maagdarmkanaal beginnen. Andere toepassingen van TRACE kunnen de monitoring zijn van milieu en andere microben zijn. Een tech om op te letten dus!
Bronnen: Science, Columbia University Medical Center, Science Alert
Beeld: Wang Lab/Columbia University Medical Center