XNA, de toekomst voor nieuwe geneesmiddelen?

Bij genetische overerving wordt onmiddellijk het verband gelegd met DNA, dat aanwezig is in de cellen van alle levende wezens. Vandaag de dag onderzoeken synthetische biologen of het mogelijk is om een chemische variant van DNA, in het jargon ook wel XNA genoemd, door zelfgemaakte chemische bouwblokjes in een keten aan elkaar te rijgen. Als dat lukt zou het ook mogelijk moeten zijn om hierin genetische informatie te stoppen die vervat zit in de volgorde van de bouwblokjes, net zoals in DNA. Dergelijke artificiële bouwblokjes, of XNA, komen niet voor in de natuur aangezien er geen levende wezens zijn die over de machinerie (eiwitten, enzymen) beschikken om ze aan te maken of te verdubbelen, laat staan om de erin gecodeerde informatie om te zetten naar bruikbare functies.

Toch heeft XNA mogelijk interessante toepassingen, bijvoorbeeld in de vorm van een nieuw soort geneesmiddel dat de ontwikkeling van kanker en virussen een halt zou kunnen toeroepen door heel gericht te binden aan het DNA van kankercellen of virussen en zo hun werking uit te schakelen. Hiervoor dient een moleculaire machine ontworpen te worden om de artificiële bouwstenen aan elkaar te zetten. Voor de ontwikkeling van zo’n machine is gekozen om de natuurlijke machinerie, die cellen zelf gebruiken, om te bouwen. Het doel is een DNA-polymerase, dat de natuurlijke bouwstenen van DNA aan elkaar kan zetten en zo een nucleïnezuur vormt, te veranderen naar een XNA-polymerase, dat de artificiële bouwstenen aan elkaar kan zetten. In deze thesis hebben we gekozen voor het ombouwen van DNA-polymerase TherminatorTM, een populair polymerase dat erom bekend is het niet zo nauw te nemen en bij het kopiëren van DNA ook wel eens een nepbouwsteen durft te gebruiken. De chemische bouwstenen die wij willen laten inbouwen verschillen van de natuurlijke bouwstenen doordat het pyrofosfaat-gedeelte vervangen is door asparaginezuur. Dat is een natuurlijk voorkomend aminozuur dat niet schadelijk is als het afgesplitst wordt van de rest van de bouwsteen wanneer die door polymerase ingebouwd wordt in een groeiende nucleïnezuurketen. De vraag is hoe we het polymerase zover kunnen krijgen dat het dit snel en met grote precisie doet.

Het uiteindelijk doel is een bacterie XNA zelf te laten aanmaken, wanneer een XNA-polymerase en de artificiële bouwstenen toegediend worden in het laboratorium. Dergelijke bacterie zou dan het DNA niet meer mogen herkennen, laat staan aanmaken. De bacterie zal zo het XNA niet kunnen verspreiden in de natuur, waar tevens ook geen artificiële bouwstenen terug te vinden zijn. Maar zover zijn we echter nog niet.

Er is als startpunt voor dit onderzoek een bibliotheek met miljoenen varianten van het DNA-polymerase TherminatorTM aangemaakt, die allemaal met enkele mutaties van elkaar verschillen. Op die bibliotheek hebben we een ingewikkelde selectie toegepast om die mutanten te vinden die de artificiële nucleotiden beter kunnen inbouwen. Zo kunnen mogelijks XNA-polymerasen ontstaan uit het DNA-polymerase, die in staat zijn de nucleotiden, gekoppeld aan asparaginezuur, in te bouwen. Drie van die mutanten hebben we in detail onderzocht, maar ze bleken slechts weinig verbeterd. De volgende stap zal zijn de verbeterde polymerasen opnieuw te muteren en aan selectie te onderwerpen, en nadien desnoods nog eens. Net wat gebeurt in de natuur: geleidelijke evolutie, maar dan in een proefbuis.