Samenvatting · Biologie · vwo 5 DNA-replicatie en DNA-techniek: van kopiëren tot CRISPR

Voor elke celdeling moet een cel zijn DNA verdubbelen, en in het laboratorium maken onderzoekers gebruik van dezelfde moleculen om DNA te kopiëren, te sorteren en aan te passen. Na deze samenvatting leg je de replicatie van DNA stap voor stap uit en begrijp je hoe PCR, gelelektroforese, een DNA-profiel, genetische modificatie en CRISPR-Cas9 werken.

DNA-replicatie

Bij replicatie ontstaan uit één DNA-molecuul twee identieke moleculen. Dat gebeurt in de S-fase van de interfase, vóór de celdeling.

Elk nieuw DNA-molecuul bestaat uit één oude en één nieuwe streng. Dat heet semiconservatieve replicatie. De volgorde van de basen blijft vrijwel foutloos behouden: DNA-polymerase controleert zijn eigen werk, en eventuele fouten worden hersteld.

Knippen en plakken: restrictie-enzymen

Restrictie-enzymen knippen DNA op een specifieke basenvolgorde, de herkenningsplaats. Vaak maken ze een versprongen knip, waardoor er korte enkelstrengs uiteinden ontstaan (sticky ends). Stukjes DNA met passende uiteinden kun je met ligase aan elkaar plakken. Dit is de basis van genetische modificatie.

PCR: DNA vermenigvuldigen

Met de polymerasekettingreactie (PCR) maak je van een heel klein stukje DNA miljoenen kopieën. Je hebt nodig: het DNA, vrije nucleotiden, twee primers (korte enkelstrengs stukjes DNA die passen op het begin en het einde van het stuk dat je wilt kopiëren) en een hittebestendig DNA-polymerase (Taq-polymerase).

Elke cyclus heeft drie stappen:

Na elke cyclus is het aantal kopieën verdubbeld. Na $n$ cycli zijn er $2^n$ kopieën van het doelstuk. Na 10 cycli zijn dat 1024 kopieën, na 30 cycli ongeveer $1,1\cdot 10^9$.

Gelelektroforese: DNA sorteren op lengte

Bij gelelektroforese laat je DNA-fragmenten door een gel lopen onder een elektrisch veld.

• DNA is door de fosfaatgroepen negatief geladen en beweegt dus naar de positieve pool.
• De gel werkt als een zeef: kleine fragmenten leggen in dezelfde tijd een grotere afstand af dan grote.
• Door een markering met fragmenten van bekende lengte erbij te laden, bepaal je de lengte van onbekende fragmenten.

Je ziet het resultaat als een patroon van banden. Elke band is een groep fragmenten van dezelfde lengte.

DNA-profiel

Het DNA bevat korte stukjes die zich herhalen (STR's, short tandem repeats). Het aantal herhalingen verschilt van persoon tot persoon. Met PCR vermenigvuldig je zulke stukjes, met gelelektroforese zie je de lengtes.

• Een DNA-profiel is het patroon van meerdere STR's. De kans dat twee niet-verwante personen hetzelfde profiel hebben, is extreem klein. Eeneiige tweelingen hebben wel hetzelfde profiel.
• Bij een vaderschapstest moet elke band van het kind van de moeder of van de vader komen.
• Bij forensisch onderzoek vergelijkt men een profiel van een spoor (bijvoorbeeld bloed) met dat van een verdachte.

Genetische modificatie

Bij genetische modificatie breng je een gen van de ene soort in de cellen van een andere soort. Het organisme heet dan transgeen.

Zo maakt men menselijk insuline in bacteriën. Bij planten gebruikt men ook andere methoden, bijvoorbeeld een bacterie (Agrobacterium) als vector.

CRISPR-Cas9

Met CRISPR-Cas9 kun je DNA op een precieze plek aanpassen.

• Een kort stukje guide-RNA is zo gemaakt dat het past op de doelsequentie in het DNA.
• Het enzym Cas9 wordt door het guide-RNA naar die plek geleid en knipt beide DNA-strengen door.
• De cel herstelt de breuk. Daarbij raakt het gen vaak verstoord (uitschakelen). Biedt men tegelijk een stukje DNA aan met een nieuwe volgorde, dan kan de cel dat inbouwen (gericht aanpassen).

CRISPR is sneller en goedkoper dan eerdere methoden. Het geeft ook ethische vragen: mag je een gen in een kiembaan veranderen, waardoor de aanpassing doorgegeven wordt aan nakomelingen?

Let op

• Replicatie kopieert DNA, transcriptie maakt RNA van een gen en translatie maakt een eiwit: verwar ze niet.
• In gelelektroforese lopen de kleinste fragmenten het verst.
• Een primer is geen enzym, het is een kort stukje DNA.
• Bij PCR verdubbelt het aantal kopieën per cyclus, dus het groeit exponentieel, niet lineair.

In het kort

• Replicatie is semiconservatief: helicase ontrolt, DNA-polymerase bouwt, ligase verbindt.
• PCR vermenigvuldigt DNA met herhaalde cycli van denatureren, hechten en verlengen.
• Gelelektroforese scheidt fragmenten op lengte: negatief DNA gaat naar de positieve pool.
• Een DNA-profiel gebruikt STR's voor identificatie en verwantschap.
• Genetische modificatie knipt en plakt genen met restrictie-enzymen en ligase.
• CRISPR-Cas9 knipt DNA op een plek die het guide-RNA aanwijst.