DNA sequencen: een gevecht tegen de getallen
Eén miljoen DNA-codes per dag kraken. In Wageningen doen ze dit bij planten.
Kampioen snel sequencen
In Wageningen staat één van de snelste apparaten voor het aflezen van DNA-volgorden (sequencen) van planten in Europa. Hiermee kunnen ze, per dag, de volgorde van één miljoen baseparen (de moleculaire bouwstenen van DNA) vaststellen. Dit apparaat wordt ingezet om het hele genoom van aardappel en tomaat in kaart te brengen. Dat doet het instituut Plant Research International niet alleen, want ook universiteiten en bedrijven in landen als de Verenigde Staten, China, Nieuw-Zeeland en Ierland doen aan dit project mee. Dergelijke projecten leveren veel kennis op over genen die van belang kunnen zijn voor onze voedselproductie en een rol spelen bijvoorbeeld bij het bepalen van de voedingswaarde of hoeveelheid vitamines of zelfs de opbrengst in het droge klimaat in verschillende ontwikkelingslanden.
- DNA klaarmaken voor het sequencen
Milieu
Met het grootschalige sequencen vinden onderzoekers plantengenen die betrokken zijn bij resistentie van planten tegen ziekten en plagen; meer resistente planten betekent minder spuiten en dus voordeel voor het milieu en minder gewasschade. Rassen die toleranter zijn tegen droogte of zout in de grond zijn essentieel om de productie areaal van gewassen zoals rijst en maïs in ontwikkelingslanden te kunnen vergroten.
Een genoom is meters lang!
| Organisme | lengte DNA (basenparen) | Organisme | lengte DNA (basenparen) |
|---|---|---|---|
| Bacteriën | Gewerveld | ||
| Mycoplasma | 580.000 | mens | 3.000.000.000 |
| E. coli | 4.600.000 | muis | 3.000.000.000 |
| Schimmels | Planten | ||
| gist | 12.100.000 | zandraket | 130.000.000 |
| Aspergillus | 25.400.000 | rijst | 420.000.000 |
| aardappel | 850.000.000 | ||
| Ongewerveld | maïs | 5000.000.000 | |
| rondworm | 100.000.000 | tarwe | 1700.000.000 |
| fruitvlieg | 140.000.000 | lelie | 120.000.000.000 |
| sprinkhaan | 5000.000.000 |
Enorme verschillen
De verschillen in genoomgrootte is enorm. Het genoom van een lelie is ongeveer 1000 keer groter dan dat van de zandraket. Een vergelijking tussen het lezen van de DNA-basen van een organisme en het lezen van letters brengt de verschillen mooi in beeld. Een kind kan op het einde van de basisschool ongeveer honderd woorden ofwel vijfhonderd letters per minuut lezen. Het zal meer dan duizend minuten, dus meer dan zestien uur nodig hebben om het kleinste genoom dat we nu kennen, het genoom van de bacterie Mycoplasmagenitalium, af te lezen. Het kind zal er meer dan tien jaar over doen om het genoom van de mens af te lezen en het genoom van de tulp zal meer dan vierhonderd jaar kosten. De lengte van het DNA is dus enorm: in iedere cel van tomaat zit 23 centimeter DNA en in iedere cel van lelie niet minder dan 13 meter!
Junk-DNA?
Opmerkelijk is ook dat de lengte van het DNA van planten als tarwe, tulp en lelie vijf tot 50 maal langer is dan dat van de mens terwijl alle vier organismen bijna even veel genen bezitten als de mens (ca 30.000). Simpel gezegd, ééncellige organismen hebben een genoom dat vrijwel geheel uit een klein aantal (1000 genen per miljoen baseparen) genen bestaat. In tegenstelling, het DNA van de mens, maïs en lelie bevat slechts hier en daar een gen. De rest werd gezien als een soort genetische vulling, ook wel junk-DNA genoemd. Uit recent onderzoek is echter gebleken dat dit deel van het genoom toch een belangrijke rol kan spelen bij het optimaal functioneren van de genen. Alleen vele jaren onderzoek zal ons in de toekomst laten zien waar dit extra DNA echt voor dient.
Wat doen al die genen?
Van slechts ongeveer 10% van de zandraketgenen weten we via laboratoriumexperimenten precies de functie. Van 60% hebben we slechts een vermoeden. De rest is geheel onbekend. Maar door de DNA-volgorde van de zandraket te vergelijken met die van andere organismen, komen we tot verrassende ontdekkingen. Zo lijken ongeveer 100 genen van de zandraket op genen in de mens die betrokken zijn bij erfelijke ziekten waaronder de taaislijmziekte (cystische fibrose) en borstkanker. Veel genen zijn echter uniek voor planten - de zandraket bezit bijvoorbeeld genen die veel te maken hebben met herkenning van plagen, parasieten of ziekmakende schimmels en de resistentie daartegen. Gezien het aantal bacteriën, schimmels, insecten en nematoden op aarde is het eigenlijk toch verbazingwekkend dat planten, die niet weg kunnen lopen voor hun belagers, in staat zijn te overleven. Planten beschikken veel meer dan andere organismen over verdedigingsmechanismen als antwoord op ziekten en plagen en andere omgevingsomstandigheden (kou, hitte, droogte). Alleen door de volgorde van alle 130.000.000 DNA-bouwstenen te bepalen komen we achter waar al deze genen zitten. Tot nu toe zijn meer dan 2.000 zandraket genen geïdentificeerd die informatie bevatten om te overleven. Deze genen zijn ook de zelfde genen die bij ander planten zoals aardappel en rijst cruciaal zijn voor een goede oogst.
Verwante planten
Als DNA-volgorden voor meerdere planten beschikbaar komen kunnen we deze informatie ook gebruiken om inzicht te krijgen in de evolutie van planten. Vergelijking van stukken van het zandraketgenoom met dat van het verwante herderstasje (Capsella bursa-pastoris) toont aan dat heel weinig is veranderd sinds deze twee planten ongeveer 6 tot 10 miljoen jaar geleden van een gemeenschappelijke voorouder zijn afgesplitst. Vergelijking tussen verschillende koolsoorten (kool, broccoli, mosterd) en de zandraket die 12 tot 19 miljoen jaar geleden zijn afgesplitst van een gemeenschappelijke voorouder, laat ook veel overeenkomst zien. Vele genen lijken nog steeds erg op elkaar. Vergelijking van zandraket en tomaat die 150 miljoen jaar geleden een gemeenschappelijke voorouder hadden laat weliswaar tussen bepaalde genen nog steeds veel gelijkenis zien, maar op genoomniveau is dat veel minder het geval.
Bloemkool en broccoli
Plantengenen van verwante planten zoals koolzaad, bloemkool, broccoli en mosterd lijken dus veel op elkaar. Als we een gen voor droogtetolerantie in zandraket kennen, kunnen we vaak ook dezelfde functie aangeven aan het overeenkomstige gen in bloemkool. Maar genen in verwante planten als zandraket, bloemkool, broccoli, koolzaad, mosterd en kool hebben niet alleen vergelijkbare DNA-volgordes, ook de genen komen vaak in dezelfde volgorden voor op de chromosomen. Dit biedt mogelijkheden voor het vinden van dezelfde genen in andere planten. Als we weten waar een bepaald gen op één van de chromosomen van zandraket ligt, dan weten we waarschijnlijk ook waar dat gen op de chromosomen van broccoli ligt. Door middel van een klein beetje extra gerichte sequensen van broccoli hebben we meteen het broccoli-gen ook gevonden! Hetzelfde geldt ook voor aardappel en tomaat en ook voor granen als rijst, tarwe en maïs. In deze manier kunnen wij veel efficiënter om gaan met onze sequentie informatie en kunnen wij sneller voorspellen waar belangrijke genen liggen op de chromosomen van andere planten.
