Hoe bacteriële eiwitten leidden tot gebruiksvriendelijke apparatuur voor DNA-analyse

Wat als jouw huisarts jouw DNA kon analyseren om onmiddellijk jouw ziekte en de meest geschikte behandeling vast te stellen? Dankzij de bijdragen van VIB-VUB-professor Han Remaut aan baanbrekende DNA-sequentietechnologie zal dit binnenkort niet langer sciencefiction zijn. Hij karakteriseerde de structuur van een bacterieel eiwit met optimale structurele eigenschappen  en met deze kennis hielpen Remaut en zijn lab nanoporie-sequentietechnologie naar een nieuw niveau te tillen.

De grensverlegger

Prof. Han Remaut, Wetenschappelijk directeur bij VIB-VUB Centrum voor Structurele Biologie

"Ongeveer vijftien jaar geleden, tijdens mijn post-doctoraal onderzoek aan Birkbeck College in het Verenigd Koninkrijk, raakte ik geïntrigeerd door eiwittransport doorheen bacteriële celoppervlakken", legt Remaut uit. "Toen ik in 2009 bij VIB kwam werken, hadden we nog geen specifieke toepassingen in gedachten, maar het algemeen verspreide wetenschappelijke enigma van de zogenaamde "Curli" –bacteriële vezels aan het celoppervlak met unieke structurele eigenschappen ¬– was er duidelijk een. Vandaag draagt de nanoporie-sequentietechnologie die op ons fundamenteel onderzoek gebaseerd is, bij aan de strijd tegen COVID-19. De technologie heeft een mooie toekomst voor zich, niet enkel in de geneeskunde, maar ook in vakgebieden zoals ecologie en forensische wetenschappen.

"Dit verhaal is een prachtig voorbeeld van wat kan worden bereikt met wat wij 'blue skies research', of nieuwsgierigheids gedreven onderzoek, noemen – fundamenteel onderzoek naar nieuwe wetenschappelijke kennis zonder onmiddellijk duidelijke toepassingen. Wanneer je natuurlijke fenomenen bestudeert die onze huidige kennis tarten, ontdek je ongetwijfeld nieuwe doorbraken met toepassingen in de biotechnologie en daarbuiten."

Vernieuwend aan de nanoporie-sequentietechnologie is het feit dat het DNA-strengen leidt doorheen eiwitten bezaaid met kleine gaatjes, zogenaamde nanoporiën. DNA-strengen zijn opgebouwd uit verschillende nucleotiden die elk kleine specifieke variaties veroorzaken in de elektrische stroom die doorheen de nanoporie stroomt. Door deze variaties te meten, kan men afleiden welk nucleotide passeert, en zo de volledige sequentie van de DNA-strengen bepalen. Dit levert heel snel een schat aan. Bovendien gebeurt dit onmiddellijk en in real-time.

Het Remaut-lab van VIB heeft een belangrijke doorbraak tot stand gebracht in de ontwikkeling van de nanoporie-sequentietechnologie door de atomische structuur op te lossen van CsgG, een bacterieel poriën-eiwit met unieke eigenschappen.

Remaut: "De structurele samenstelling van CsgG – een eiwitkanaal met een goed gedefinieerde vernauwing – maakt stabiele stromen mogelijk die, vergeleken met andere nanoporie-sensoren, gegevens van superieure kwaliteit kunnen genereren. Kort na de publicatie van onze bevindingen in het tijdschrift Nature in 2014, gingen we samenwerken met het Britse biotechbedrijf Oxford Nanopore Technologies (ONT). Zij verfijnden de structuur van de CsgG-nanoporie om deze te integreren in hightech elektronische leesapparatuur die eenvoudigweg via een USB-poort met de computer kan worden verbonden.

Ondertussen hebben Remaut en ONT onderzoek verricht naar een geavanceerde nanoporie om de nauwkeurigheid van deze leesapparatuur nog te verbeteren. Remaut: "We hebben een natuurlijke bindingspartner van CsgG bewerkt om zo een dubbele vernauwing in de nanoporie te introduceren. Met twee vernauwingen die tegelijkertijd DNA-componenten kunnen identificeren, kunnen we DNA-strengen interpreteren in gebieden waar een enkele 'lezer' nog af en toe fouten maakt."

Mobiele waterklinieken, slijm van de bultrug en COVID-19

DNA-sequentieanalyse heeft in de 21ste eeuw tot veel doorbraken geleid, van de snelle ontwikkeling van kankerbehandelingen die aan het genetische profiel van elke patiënt zijn aangepast, tot de identificatie van duizenden nieuwe erfelijke ziekten en een groeiend besef dat onze eigen darmflora een cruciale rol speelt bij ziekten zoals obesitas en alzheimer. Nanoporie-sequentie heeft dit proces versneld en wordt tegenwoordig wereldwijd toegepast en biedt voordelen in heel wat onderzoeksdomeinen.

Een spannend project is de lancering van 'mobiele waterklinieken' in Afrika. Met behulp van ONT-apparatuur kan de waterkwaliteit van afgelegen waterputten regelmatig worden getest om na te gaan of het water DNA bevat van ziekteverwekkers zoals Ebola, difterie, salmonella of cholera. Het feit dat men dit ter plaatse kan doen met kleine apparaten die in je hand passen maken het niet meer nodig om onderzoeks-stalen honderden kilometers te vervoeren naar het dichtstbijzijnde lab. Andere opvallende toepassingen zijn de zoektocht naar - DNA-bevattend - leven op Mars of de studie van de gezondheid van bultrugwalvissen.  Hiervoor verzamelt een drone het slijm van de walvissen door boven hun spuitgat te vliegen en dit slijm wordt geanalyseerd. Hierdoor kunnen wetenschappers de gezondheid van de walvispopulatie in de gaten houden en het effect van klimaatverandering meten.

De nanoporie-technologie is ook zeer nuttig gebleken in de strijd tegen COVID-19. Enkele maanden na de uitbraak van het coronavirus, lanceerde ONT een nieuwe, goedkope test, LamPORE, bedoeld voor de Britse markt. De detectietest maakt gebruik van de nanoporie-technologie van VIB en is ontworpen om snel ter plaatse te kunnen testen – de resultaten zijn beschikbaar in minder dan twee uur (lees meer in het verhaal over VIB's COVID-19 inspanningen).

Nauwkeurige diagnose en behandeling op maat

Volgens Remaut zal nanoporie-sequentie binnenkort niet meer weg te denken zijn uit ons leven: "Ik ben ervan overtuigd dat een DNA-sequentieapparaat binnen vijf tot tien jaar in elke dokterspraktijk te vinden zal zijn. Wanneer een patiënt met een infectie van de luchtwegen langskomt, zal de dokter onmiddellijk kunnen nagaan welke bacterie of virus de ziekte veroorzaakt. Dat kan eenvoudig door een speekselstaal te testen op een apparaat dat met zijn computer verbonden is. Het zal zelfs mogelijk zijn na te gaan tegen welke antibiotica de bacteriën resistent zijn, en welke antibiotica de patiënt kunnen helpen genezen."

Het bewijs van het succes van de technologie blijkt ook uit het feit dat ONT binnenkort naar de Londense beurs gaat. Het bedrijf heeft inmiddels al meer dan een half miljard pond opgehaald en de totale waarde is onlangs geschat op 2,5 miljard pond. De recente doorbraken zijn slechts het begin van dit verhaal met grote impact.