Speeding up biochemistry by molecular sledding along DNA

Snellere biochemische reacties dankzij DNA-sleetje

Voor biochemische reacties moeten vaak meerdere bindingspartners elkaar vinden door middel van een passief zoekproces in de driedimensionale (3D) ruimte. Maar een 3D-zoekproces kan zeer inefficiënt zijn voor biologische moleculen die soms in lage aantallen aanwezig zijn in overvolle cellulaire omgevingen. De zoektijden kunnen drastisch worden verminderd door het beperken van de beweging van biomoleculen tot een 2D of 1D ruimte, iets wat bij bepaalde biochemische processen ook inderdaad gebeurt.

Zo is voor DNA-bindende eiwitten in het adenovirus aangetoond dat zij 1D-diffusie (glijden) langs de duplex gebruiken om hun doelwitten te vinden. Het glijden van de eiwitten over viraal DNA wordt verzorgd door een klein peptide dat als moleculaire slede fungeert. Alex Turkin heeft gebruik gemaakt van enkelmolecuultechnieken om de beweging van de verschillende componenten van het adenovirussysteem langs DNA direct zichtbaar te maken.

Geïnspireerd door de manier waarop de natuur het probleem van het zoeken binnen adenovirusdeeltjes heeft opgelost, heeft Turkin dit concept toegepast om de associatie tussen twee gegeneraliseerde bindingspartners te versnellen. Een versnelling van meer dan een orde van grootte werd bereikt voor deze proof-of-principle reactie, wat aantoont dat 1D glijden over DNA kan worden gebruikt om biochemische reacties te versnellen.

Om zijn experimentele studies verder te onderbouwen heeft Turkin een theoretisch model geformuleerd. Het model beschrijft de experimenteelbepaalde reactiesnelheidsconstanten zeer nauwkeurig. Daarnaast laat het model zien dat bij katalytische DNA-concentraties, bij minimale reactietijd tot 90 procent van het reactieproduct wordt gevormd op DNA met behulp van 1D-reactiemechanisme. Tot slot heeft Turkin een aantal toepassingsgerichte studies uitgevoerd, waarin hij de eerste stappen heeft gezet naar het gebruik van de moleculaire slede als een moleculaire bouwsteen om biotechnologisch- en farmaceutischrelevante reacties te versnellen.

Het onderzoek van Alex Turkin vond plaats bij de afdeling Single-molecule biophysics van het Zernike Institute for Advanced Materials met financiering van NWO, de European Research Council en het Zernike Institute.

Proefschrift: http://hdl.handle.net/11370/3e73962e-c39e-4fee-af8a-bb1d154405f7