DNA : Kennis en Ontwikkeling

Desoxyribonucleïnezuur, afgekort als DNA (Engels: DeoxyriboNucleic Acid), is een biochemisch macromolecuul dat fungeert als belangrijkste drager van erfelijke informatie in alle bekende organismen, maar ook in virussen (met uitzondering van RNA-virussen).

Index:

Introductie
Miller-Urey Experiment
CRISPR Cas
Watchlist | DNA en menselijke genetica
Nobelprijs fysica 2020

Links

Introductie:
DNA behoort net als RNA tot de nucleïnezuren. Een DNA-molecuul bestaat uit twee lange strengen van nucleotiden, die in de vorm van een dubbele helix met elkaar vervlochten zijn. De twee strengen zijn met elkaar verbonden door waterstofbruggen, die steeds twee tegenover elkaar liggende nucleotiden verbinden. DNA bevat vier verschillende nucleotiden met de nucleobasen adeninethymineguanine en cytosine, die afgekort worden met respectievelijk de letters A, T, G en C. De beide strengen zijn complementair doordat de basen alleen als de basenparen A=T en G≡C kunnen voorkomen. A en T worden door 2 waterstofbruggen met elkaar verbonden, G en C door drie waterstofbruggen.

De volgorde van nucleotiden in een streng wordt een sequentie genoemd. Doordat er zeer veel sequenties mogelijk zijn, kan de volgorde van nucleotiden unieke erfelijke informatie verschaffen. Zoals met letters woorden, zinnen en boeken gemaakt kunnen worden, zo worden ook de letters van het DNA (de nucleotiden dus) gebruikt om allerlei erfelijke informatie te coderen.

DNA bevindt zich in cellen in de vorm van chromosomen. Chromosomen kunnen miljoenen baseparen bevatten. Door middel van de replicatie wordt het DNA in een chromosoom gekopieerd. De replicatie gaat vooraf aan de celdeling. Zodoende krijgt elke cel een kopie van het DNA, en kan via de voortplanting het DNA doorgegeven worden aan het nageslacht. Op een chromosoom bevinden zich tientallen tot honderden genen. Een gen bestaat uit een of meer DNA-sequenties die coderen voor een of meer eiwitten. Eiwitten vervullen binnen en buiten de cel een zeer grote verscheidenheid aan biologische functies.

In eukaryote organismen bevinden de chromosomen met het DNA zich in de celkern. Daarnaast is er ook DNA aanwezig als mitochondriaal DNA in de mitochondriën in de vorm van circulaire chromosomen, en bij planten daarnaast ook in plastiden (zoals bladgroenkorrels). Prokaryoten (zoals bacteriën en blauwalgen), die geen celkern of andere organellen hebben, bevatten eveneens circulaire chromosomen.

Aan de hand van de genetische code kan de DNA-sequentie van een gen vertaald worden in de aminozuursequentie van een eiwit. Dit proces wordt eiwitexpressie genoemd. Bij de transcriptie wordt het DNA van een gen eerst gekopieerd naar mRNA, en het mRNA wordt vervolgens bij de translatie vertaald naar een eiwit.

Bij de meeste organismen vormen de genen maar een klein gedeelte van de totale hoeveelheid DNA. Veel andere gedeelten van de chromosomen zijn betrokken bij de regulatie van de eiwitexpressie. Van veel van het overige DNA is de functie niet bekend.

Miller-Urey Experiment:
Het Miller-Urey-experiment, ook wel Urey-Miller-experiment genoemd, is een beroemd geworden experiment uit 1953 waarin Stanley Miller en Harold Urey aantoonden dat onder bepaalde omstandigheden complexe aminozuren spontaan kunnen ontstaan. Het experiment wordt gezien als aanwijzing voor hoe leven op Aarde uit anorganische stoffen, de zogenaamde oersoep, kan zijn ontstaan, en het was de eerste poging in die richting. Het Miller-Urey-experiment was gebaseerd op de hypothese van Haldane en Oparin.

Wikipedia: Schematische opstelling van het experiment

In het experiment wordt een mengsel van methaanammoniakwaterdamp en diwaterstof verwarmd en blootgesteld aan elektrische ontladingen, die de bliksem op de vroege Aarde moest simuleren. Men veronderstelt dat de wrijving van de stofdeeltjes die vrijkwamen bij vulkanische uitbarstingen verantwoordelijk waren voor deze bliksem. De samenstelling van het mengsel werd gekozen op grond van wat men op dat moment aannam over de atmosfeer van de jonge Aarde voor er leven was.

Na een week continu te hebben gedraaid met hun opstelling vonden Miller en Urey dat 10 tot 15% van de koolstof in het systeem zich nu in organische verbindingen bevond. Twee procent had aminozuren gevormd, waaronder 13 van de 22 die tegenwoordig door levende cellen worden gebruikt, glycine kwam hiervan het meest voor. Er werden ook suikers en lipiden gevormd. Echter de bouwstenen van DNA en RNA (nucleotiden) ontbraken in zijn geheel. Simpele versies van nucleotiden zoals nucleosiden (nucleotiden zonder de fosfaatgroep) werden ook niet gevonden.

Voor het vormen van deze organische moleculen moet de vroegere atmosfeer van de Aarde een reducerend karakter gehad hebben. Recent onderzoek wijst uit dat de vroegere atmosfeer noch reducerend noch oxiderend was. De theorie van Miller is hiermee achterhaald. De samenstelling van de oeratmosfeer blijkt anders geweest te zijn dan in het experiment werd aangenomen en bestond waarschijnlijk vooral uit stikstofgas en koolstofdioxide (zie ook BIOplek). Maar het is wel nog steeds aannemelijk dat er bepaalde “pakketjes” atmosfeer een reducerend karakter hadden, bijvoorbeeld in de nabijheid van de vulkanische openingen. Een tweede hypothese is dat de abiotische synthese van deze moleculen heeft plaatsgevonden onder water, in de nabijheid van onderwatervulkanen, of diepzeeschoorsteenkanalen (hier was tevens veel zwavel en ijzer aanwezig, wat vandaag nog steeds bij veel organismen gebruikt wordt voor de ATP-synthese).

CRISPR Cas:
CRISPR is een afkorting van Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats en is een belangrijk onderdeel van het bacteriële verdedigingsmechanisme tegen virussen. CRISPR’s zijn korte segmenten van herhaalde codes in het DNA, die de bacterie gebruikt om een nieuwe virusaanval te herkennen en af te slaan. Samen met het enzym Cas9 vormen ze de basis voor de populaire CRISPR-Cas technologie, die gebruikt kan worden voor het gericht bewerken van het genoom van een organisme.

CRISPR bestaat uit stukjes prokaryotisch DNA die korte herhalingen van telkens dezelfde reeks basen bevatten. Elke herhaling wordt gevolgd door korte stukjes spacer DNA, afkomstig van vorige blootstellingen aan virussen. Het CRISPR associated Systeem, afgekort Cas, gebruikt CRISPR spacers op een vergelijkbare manier als RNA-interferentie bij eukaryoten. CRISPRs worden teruggevonden bij 40% van de bacteriële genomen en bij 90% van de Archaea.

Nobelprijs fysica 2020:

Links:
GeneEditSummit International Summit on Human Gene Editing

Thema: De DNA-dialoog (NEMO Kennislink)

Deel: