Op een koude dag in februari 1953 stormde Francis Crick zijn favoriete stamkroeg binnen in Cambridge en verkondigde, zoals James Watson later zou optekenen, ‘Wij hebben het geheim van het leven ontrafeld’. En dat was precies wat ze gedaan hadden. Die ochtend hadden Watson en Crick namelijk de driedimensionale structuur van het DNA molecuul ontdekt. De structuur- een dubbele helix die zichzelf kan openen en kopiëren – bevestigde eerdere bewijzen dat DNA de drager is van erfelijke eigenschappen, maar gaf tevens informatie over de wijze hoe het dat doet. Deze inzichten hebben een ware DNA-revolutie ontketend binnen de biologie. De klassieke genetica (erfelijkheidsleer) heeft rigoureus plaats moeten maken voor een modernere variant, de moleculaire genetica. Binnen deze nieuwe biologie proberen wetenschappers (erfelijke) eigenschappen van organismen te verklaren met DNA onderzoek.
Halverwege de 19de eeuw trok de Oostenrijkse monnik Gregor Mendel een belangrijke conclusie na vele kruisingsproefjes met erwten. Aan de hand van zijn kruisingsschema’s, waarin hij precies bijhield welke planten met elkaar gekruist waren, zag hij dat eigenschappen van de ouderplanten onafhankelijk van elkaar worden doorgegeven aan de volgende generatie. Dat wil zeggen, beide ouders leveren los van elkaar ‘eenheden’ door aan hun nakomelingen met instructies voor een bepaalde eigenschap. Onderlinge competitie tussen die twee eenheden bepaalt uiteindelijk hoe deze eigenschap tot uitdrukking komt. Mendel had echter nog geen idee wat de fysieke basis van deze eenheden, die we tegenwoordig genen noemen, zou kunnen zijn.
Niet veel later, in 1869, isoleert de Zwitserse biochemicus Miescher een wit goedje uit de kern van ettercellen. Deze cellen waren in een tijd van beperkte hygiëne natuurlijk ruim voor handen. Hij noemde het zure, fosfaathoudende stofje nucleine; afgeleid van het Griekse woord voor kern. Heel even nog dacht Miescher aan Mendels genetische eenheden, maar besloot al snel dat deze stof veel te eenvoudig was uitgerust voor zo’n allesomvattende taak als het doorgeven van erfelijke eigenschappen.
Enkele tientallen jaren later was de kennis over nucleine in verschillende opzichten toegenomen. Men had ontdekt waaruit het was opgebouwd en had het inmiddels omgedoopt tot DNA; de Engelse afkorting voor het Nederlandse woord desoxyribonucleïnezuur. DNA bleek een lange aaneenschakeling te zijn van kleinere eenheden, nucleotiden genoemd. Deze nucleotiden bestaan uit een suikergroep (ribose), een fosfaatgroep en een basische component. In het DNA komt deze base voor in vier verschillende vormen, adenine (A), cytosine (C), thymine (T) en guanine (G). De volgorde en hoeveelheid van deze vier basen bleek verschillend te zijn in het DNA van verschillende organismen. Misschien was dat DNA dus toch niet zo’n suf molecuul als men in eerste instantie dacht en mogelijk gevarieerd genoeg om de erfelijke informatie te dragen!
In 1952 kwam onomstotelijk vast te liggen dat DNA verantwoordelijk is voor het doorgeven van erfelijke eigenschappen. In een klassiek experiment ontdeden de wetenschappers Hershey en Chase een virus van zijn eiwitmantel en lieten zien dat enkel het virus DNA voldoende was om een cel te infecteren. Op welke wijze nu daadwerkelijk erfelijke informatie lag opgeslagen in het DNA was echter nog onduidelijk, al vermoedde men wel dat het met de volgorde van de vier basen van doen had.
Een jaar later ontdekten Watson en Crick de structuur van het DNA-molecuul. Het bleek de inmiddels befaamde dubbele helix te zijn waarbij twee strengen van aaneengeschakelde nucleotiden om elkaar heen draaien zoals de leuningen van een wenteltrap. De vier verschillende basen zijn naar binnen gekeerd en vormen figuurlijk gezien de traptreden van de wenteltrap. De grote mate van stabiliteit heeft het DNA te danken aan de verbindingen die de vier base met elkaar aangaan; base A vormt een binding met T, C met G. Deze base liggen dan ook altijd tegenover elkaar en worden basenparen genoemd. In 1962 kregen de heren dan ook niet onterecht een Nobelprijs voor hun vinding. Wel onterecht, en dat hebben ze met veel kritiek moeten bekopen, is het feit dat ze in hun toespraak en publicaties nooit hun vrouwelijke collega Rosalind Franklin (overtuigend) hebben bedankt zonder wiens resultaten ze de DNA-structuur in 1953 nooit hadden kunnen ophelderen.
Nu moest men echter nog zien te verklaren hoe deze dubbele helix zich vertaalt naar zichtbare (en onzichtbare) eigenschappen. De meeste erfelijke eigenschappen zijn het werk van eiwitten. Zij zijn de werkpaarden van de cel en voeren de meest veelzijdige taken uit. Eiwitten kleuren je ogen, bepalen je bloedgroep, je verstandelijke vermogens en je voorkeur voor zout eten. Ergens moet dus de vertaalslag gemaakt worden van DNA naar eiwit.
De DNA-structuur wees erop dat de volgorde van de vier basen (A, T, C, G) een boodschap bevat voor het te maken eiwit. Deze boodschap moet bestaan uit informatie over de volgorde waarin de bouwstenen van eiwitten, de aminozuren, aan elkaar gekoppeld moeten worden om een functioneel eiwit te maken. Theoretici losten dat probleem op door te voorspellen dat een groepje van drie opeenvolgende base wordt vertaald naar één aminozuur. Dit werd later door biologen op velerlei wijze bevestigd in het laboratorium. Zo laat de DNA basenvolgorde ‘ATG’ zich bijvoorbeeld vertalen naar het aminozuur methionine. En als na de ATG een CTT triplet volgt in het DNA, dan wordt aan het methionine een leucine gekoppeld. Zo wordt een eiwit gevormd op instructie van de genetische code van het DNA.
Er is echter nog een klein probleem. DNA zit goed ingepakt in grote eiwitcomplexen in de celkern terwijl eiwitten juist buiten de kern (in het cytoplasma) worden gemaakt. Het is onmogelijk voor het DNA om de kern te verlaten dus op de een of andere manier moet de volgorde-informatie beschikbaar komen buiten de kern.
Daarvoor heeft de natuur een elegante oplossing gevonden in de vorm van een DNA-boodschapper genaamd RNA. RNA heeft een vergelijkbare structuur als DNA maar is kleiner en beweeglijker en kan daarom uit de kern worden getransporteerd. Als er behoefte is aan een bepaald eiwit in de cel dan wordt er in de kern een exacte RNA-kopie gemaakt van het DNA dat codeert voor dat specifieke eiwit. Dit RNA geeft vervolgens buiten de kern de DNA instructies door over de aminozuurvolgorde van het te produceren eiwit. Dit driestappen plan wordt wel het centrale dogma binnen de moleculaire biologie genoemd, of met de woorden van Crick te spreken:’DNA maakt RNA maakt eiwit’.
De verzamelnaam voor al het DNA in de celkern is genoom. Op dit moment is bijna de hele basenvolgorde van het menselijk genoom bepaald. Dit is zonder meer een enorme prestatie en bijzonder belangrijk voor bijvoorbeeld het biomedisch onderzoek naar de relatie tussen veranderingen in het DNA en (erfelijke) ziekten. Op basis van deze informatie wordt het aantal genen van de mens geschat tussen de 20 en 25 duizend. Het is nu de taak van wetenschappers om voor elk van die genen in kaart te brengen wat zijn functie is. Niet eens zo heel veel meer dan een gewone fruitvlieg of simpele rondworm.
Toch heeft een mens veel meer eiwitten. Dat komt omdat meer complexe organismen een manier hebben gevonden om van één gen toch meerdere varianten van een eiwit te maken. Minstens zo belangrijk als de verschillen tussen organismen zijn de overeenkomsten. Zo is de basenvolgorde van het menselijke genoom voor ongeveer 99 procent gelijk aan dat van zijn boomslingerende neef de chimpansee. Voor mensen die geïnteresseerd zijn in politiek kan dit nauwelijks als een verassing komen.
Het DNA is continu onderhevig aan veranderingen, oftewel mutaties. Invloeden van buitenaf zoals sigarettenrook, zonlicht of aangebrand vlees zijn in staat kleine veranderingen aan te brengen in de basenvolgorde van het DNA. Vaak worden deze veranderingen door de cel opgemerkt en weer hersteld, soms faalt dit mechanisme en wordt de mutatie onderdeel van het DNA. Dit is niet per definitie nadelig, zo kunnen eiwitten bijvoorbeeld van samenstelling veranderen waardoor ze nog effectiever werken. Helaas gaat het ook al te vaak mis en verliest de cel een belangrijk eiwit waardoor ziekte of ontwikkelingsstoornissen opbaren.
In de toekomst zal de bron van veel erfelijke ziekten zijn opgespoord in het DNA en zal met meer gerichte medicatie problemen kunnen worden aangepakt. Veelbelovend is ook de gentherapie, waarbij het foutieve DNA wordt vervangen door een stukje gezond DNA. Misschien dat sommige erfelijke ziekten daardoor in de toekomst geheel verdwijnen.
Ook in de voedseltechnologie wordt hard gewerkt om producten groter, lekkerder en sterker te maken. De kennis van DNA en functie van genen heeft dit proces aanzienlijk versneld ten opzichte van het klassieke veredelingsproces. Hoewel dit nog een zeer controversieel onderwerp is, kan het in de toekomst mogelijk een bijdrage leveren aan een oplossing voor het wereldvoedselprobleem.
Een minder controversiële toepassing is het gebruik van DNA-bewijsmateriaal in strafzaken. Menig verkrachter en/of moordenaar is veroordeeld naar aanleiding van gevonden DNA sporen op de plaats van misdrijf en vele verdachten zijn vrijgesproken omdat hun DNA niet overeen kwam met dat van de dader. Naarmate de opsporingstechnieken beter worden zal deze vorm van bewijslast in de toekomst alleen maar toenemen.
Bent u na al dat lezen nu wel eens benieuwd hoe dat DNA er nou uit ziet? Geen nood, met een simpele huis-tuin-en-keukenproef is heel eenvoudig wat tomaten-DNA of exotisch kiwi-DNA in handen te krijgen. Gooi een of twee vruchten in een keukenmachine en voeg wat zout en zeepsop toe om celwanden en lastige eiwitten kwijt te raken. Roer dit goed door en giet vervolgens voorzichtig een laagje alcohol of spiritus op het mengsel. De witte wolkjes die nu op het grensvlak van beide vloeistoffen verschijnen, kun je met een satéprikkertje vangen door langzaam rond te draaien alsof je een horloge opwindt. En dat is nu een klont DNA-strengen.
Tekst: Marijn Luijten (1976)
Relevante boeken
Worden in de loop van 2020-2021 toegevoegd (3 september 2020)
Homepage Bètacanon
(zondag 19 augustus 2007)
