DNA-technieken

Dertig rondes PCR maken van één stukje DNA ongeveer een miljard kopieën.

DNA kopiëren in een buisje

De meeste manieren om DNA te onderzoeken hebben veel meer DNA nodig dan een druppel bloed of een haar bevat. De polymerasekettingreactie, kortweg PCR, lost dat op. NHGRI noemt het moleculair fotokopiëren: een snelle en goedkope manier om een gekozen klein stuk DNA te kopiëren. Het gebruikt dezelfde paringsregels als een cel. Het monster wordt verhit zodat de twee strengen loskomen, dan afgekoeld zodat korte beginstukjes, primers, aan weerszijden van het doelwit kunnen vastzitten, en dan bouwt een hittebestendig DNA-polymerase op elke mal een nieuwe partnerstreng. Dat is één cyclus.

Elke cyclus kan het aantal kopieën verdubbelen, dus het aantal groeit snel. Na 10 cycli kan één molecuul 2¹⁰ = 1024 kopieën worden, na 20 cycli 1 048 576 en na 30 cycli 1 073 741 824, ongeveer een miljard. Echte reacties blijven een beetje achter bij perfecte verdubbeling, maar het principe klopt. Kary Mullis, die PCR in 1983 bedacht, kreeg in 1993 de Nobelprijs voor Scheikunde. NHGRI noemt als toepassingen: het meeste kaartwerk in het Humaan Genoomproject, DNA-vingerafdrukken, het opsporen van bacteriën en virussen en het diagnosticeren van erfelijke aandoeningen.

Stukken sorteren op grootte

Om te zien wat een reactie heeft opgeleverd, gebruiken laboratoria vaak gelelektroforese. OpenStax legt het uit. Een plak agarosegel, gemaakt van een stof uit zeewier, wordt in een zoutoplossing gedrenkt, en DNA-monsters worden in kleine putjes aan één kant gebracht. DNA is negatief geladen door zijn fosfaatgroepen, dus als er een elektrische stroom door de gel loopt, beweegt het DNA naar de positieve elektrode. De gel werkt als een wirwar waar kleine stukken snel doorheen glippen en grote stukken achterblijven. Na een tijd zitten de kleinste fragmenten het verst van de putjes. Een kleurstof maakt de banden dan zichtbaar.

De letters lezen en het hele genoom

De volgorde van basen aflezen heet sequencen. Frederick Sanger ontwikkelde de kettingterminatiemethode, die licht veranderde nucleotiden gebruikt die een groeiende streng stoppen waar ze worden ingebouwd; als je de gestopte stukken op grootte sorteert, zie je de sequentie base voor base. Hij kreeg in 1980 de Nobelprijs voor Scheikunde, en zijn methode werd gebruikt voor het Humaan Genoomproject. Dat project begon officieel in oktober 1990 en werd in april 2003 voltooid, ruim twee jaar eerder dan gepland. Het besloeg ongeveer 92 procent van het genoom, voor zover de techniek van die tijd het toeliet. De laatste 8 procent, vol herhalingen, werd in 2022 afgerond door het Telomere-to-Telomere-consortium, wat een complete sequentie van 3.055 miljard basenparen opleverde.

Het vergelijken van genomen laat zien hoe gelijk mensen zijn. NHGRI merkt op dat de genomen van twee mensen vaak voor ongeveer 99.9 procent identiek worden genoemd. Bij ongeveer 3 miljard basen is 0.1 procent nog altijd ongeveer 3 miljoen verschillen, genoeg om het DNA-patroon van elke persoon onderscheidend te maken.

DNA bewerken

Genoombewerkingstools werken als scharen die DNA op een gekozen plek doorknippen; wetenschappers kunnen daar dan DNA weghalen, toevoegen of vervangen. NHGRI beschrijft CRISPR als eenvoudiger, sneller, goedkoper en nauwkeuriger dan oudere bewerkingsmethoden, en veel wetenschappers die genomen bewerken gebruiken het nu. Emmanuelle Charpentier en Jennifer Doudna deelden in 2020 de Nobelprijs voor Scheikunde ‘voor de ontwikkeling van een methode voor genoombewerking’. Onderzoekers gebruiken het om afzonderlijke genen uit te schakelen bij dieren zoals muizen en zebravissen, om te leren wat die genen doen. Er worden behandelingen ontwikkeld, maar NHGRI wijst op openstaande problemen: de tools knippen soms op de verkeerde plek, en bewerkingen van eicellen, zaadcellen of embryo's zouden aan toekomstige generaties worden doorgegeven. Veel landen beperken dat soort bewerking, en de NIH financiert geen onderzoek naar het bewerken van menselijke embryo's.