Dossier DNA

Nieuws

DNA-bank

Klonen

Humane Genoom

Chromosomen

De mens op een chip

Met de ontcijfering van het humane genoom begint het grote werk pas echt: wat doen welke genen en onder welke condities? dna-chips zijn hierbij een krachtige hulp.

Rob van den Berg

'VROEGER vergeleken we de activiteit van afzonderlijke genen', zei een Amerikaanse kankerdeskundige eind 1998 in Science. 'Nu kunnen we er duizenden tegelijk bekijken. Dat biedt hoop voor nieuwe methoden voor diagnostiek en voor nieuwe therapieën.'

De nieuwe technologie waar het hier om gaat betreft de DNA-chip: een glasplaatje van een vierkante centimeter volgepakt met duizenden verschillende DNA-strengen. Ze worden gefabriceerd met behulp van technieken die gemeengoed zijn in die andere chipsindustrie, die ooit Silicon Valley op de kaart zette. Ermee rekenen kun je niet, wel zijn de chips verantwoordelijk voor een revolutie in de biotechnologie. Zo kan met de DNA-chip worden afgelezen welke genen actief zijn in een cel onder bepaalde groeicondities, of in geval van een ziekte. Een ander soort chip stelt snel vast met welke variant van het aidsvirus een patiënt is besmet, waardoor de behandeling beter kan worden afgestemd. Wellicht wordt het mogelijk een baby vlak na de geboorte te testen op de ziekten waarvoor hij gevoelig is. Al die mogelijkheden vloeien indirect voort uit het humane genoom-project.

Toch is met de ontcijfering van de menselijke DNA-code het grote werk nog maar begonnen. Dat werd voor het eerst duidelijk toen het gist-genoom in april 1996 klaar was. Dat bevatte meer dan zesduizend genen, waarvan slechts een kwart een min of meer bekende functie had. Nog veel minder duidelijkheid bestond er over de manier waarop genen samenwerken bij de regulering van celprocessen. De naar schatting honderdduizend genen van het menselijk genoom zijn een enorm genetisch terra incognita. Wel zijn dankzij de stormachtige ontwikkeling van de DNA-chips de hulpmiddelen voor de exploratie daarvan inmiddels beschikbaar.

De werking van elke DNA-chip berust op hybridisatie: de koppeling tussen complementaire DNA-ketens. De vier basen waaruit het DNA (mede) is opgebouwd, gaan paarsgewijs bindingen aan: guanine bindt altijd met cytosine en thymine met adenine. De duizenden op een chip aanwezige DNA-ketens (probes) zijn daardoor in staat precies die onbekende keten (target) uit een oplossing te vissen die complementair is: ATTGCGTAAT hybridiseert met TAACGCATTA.

Om te kunnen bepalen wat de functie van een gen is, moet je erachter zien te komen in wat voor cellen, of op welk moment, dat gen tot uitdrukking komt. Een gen dat uitsluitend na elke maaltijd in levercellen wordt afgelezen, zal hoogstwaarschijnlijk geen rol spelen bij het ontstaan van schizofrenie. Experimenten naar de expressie van genen worden uitgevoerd met DNA-chips waarop stukken DNA - soms bijna volledige genen - als probes zijn aangebracht. Dat gebeurt volgens een op de universiteit van Stanford ontwikkelde methode waarbij robotgestuurde naalden de verschillende DNA-oplossingen naar het glas overbrengen en erop vastzetten. Tegenwoordig wordt daar ook wel een gemodificeerde kop van een bubble jet printer voor gebruikt, die de minuscule druppeltjes DNA-oplossing op het glas spuit. Voordeel is dat de spotgrootte wat kleiner is, waardoor er meer DNA-ketens op hetzelfde oppervlak kunnen worden geplaatst.

Maar de grootste dichtheden worden gehaald wanneer de DNA-strengen base voor base via chemische reacties op het glas worden gesynthetiseerd. Deze techniek is ontwikkeld door Stephen Fodor, de tegenwoordige directeur van Affymetrix. Dit bedrijf bezit zo goed als alle patenten op deze methode en is marktleider op het gebied van DNA-chips. Fodor maakte gebruik van lichtgevoelige groepen om de DNA basen te beschermen tegen verdere reacties. Als er ergens een base moet worden aangekoppeld, dan wordt dat betreffende gedeelte van de chip via een speciale matrijs belicht. Zo raken de basen hun beschermende groep kwijt raken en kan de koppelingsreactie optreden. Na een beperkt aantal opeenvolgende belichtingen en reacties kunnen langs deze weg alle mogelijke strengen DNA met een lengte van tien tot twintig basen (oligomeren) op een glasplaatje worden gesynthetiseerd. Het gebruik van matrijzen bij de belichting (fotolithografie) ontleende Fodor overigens aan de halfgeleiderindustrie.

De oligo-chips worden veel gebruikt bij de identificatie van variaties in het DNA, het bepalen van genafwijkingen en alternatieve vormen. Het nu afgelezen menselijke genoom is immers niet dat van één persoon, maar is een mengsel van een aantal personen. Ieder mens heeft karakteristieke afwijkingen in bepaalde genen. Soms zijn die volledig onschadelijk, maar even goed kan een enkele puntmutatie (een afwijking van één base) desastreuze gevolgen hebben. Farmaceutische bedrijven zijn zeer geïnteresseerd om uit te vinden in hoeverre genetische informatie iets zegt over de gevoeligheid van mensen voor bepaalde medicijnen. Sinds Affymetrix vier jaar geleden naar de beurs ging, is het bedrijf dertig keer zoveel waard geworden. En in tegenstelling tot de meeste internetbedrijven wordt er winst gemaakt: vorig jaar bijna honderd miljoen dollar. De totale markt voor DNA-chips bedraagt naar schatting meer dan een miljard dollar.

Te midden van alle hype is enige relativering op zijn plaats. In een commentaar stelde Nature Genetics vorig jaar droog vast dat het aantal review-artikelen waarin de (potentiële) mogelijkheden van DNA-chips uiteen worden gezet op dit moment groter is dan het aantal wetenschappelijke artikelen waarin chips daadwerkelijk worden toegepast. Hoewel er verder al driftig gespeculeerd wordt over chips met een paar miljoen verschillende DNA-ketens - 'het hele menselijk genoom op een chip' - mag niet uit het oog worden verloren dat de lichtdetectie in dat geval een groot probleem gaat opleveren. En ook het informatieprobleem vraagt om een oplossing. Elk experiment levert vele duizenden datapunten die samen informatie bieden over de expressie van een groot aantal genen onder verschillende omstandigheden. Het zal niet meevallen daaruit de meest betekenisvolle te selecteren, of om de juiste verbanden te leggen. Zelfs geavanceerde data-mining technieken staan wat dit betreft nog in de kinderschoenen.

Dat geldt ook voor het DNA-chip onderzoek in Nederland. Volgens René Bernards van het Nederlands Kanker Instituut in Amsterdam staan vooral de hoge kosten van de chips snelle ontwikkelingen in de weg: ''Affymetrix rekent prijzen voor zijn chips die volstrekt onacceptabel zijn voor academische centra. Daarom zijn we het zelf maar gaan doen.'' Dat gebeurt vooral binnen de NWO-toponderzoeksschool waarin groepen van het NKI en van de universiteiten van Utrecht, Rotterdam en Leiden samenwerken. Daarnaast werd het ArrayNL-platform opgericht om ervaringen uit te kunnen wisselen en samen - goedkoper - genen in te kopen. Bernards: ''Sommige groepen hebben in het begin voor veel geld een Affymetrix-machine gekocht waarmee arrays kunnen worden uitgelezen. Maar die staan nu bijna te niksen, omdat de prijs van de chips maar niet wil zakken.'' Bernards heeft zijn hoop gevestigd op de bubble-jet technologie: ''Die is ongelofelijk flexibel. Elke chip is niets anders dan een tekstbestand dat je uitprint. In plaats van vier kleuren inkt gebruik je vier oplossingen met de verschillende nucleotiden. Agilent, een dochter van Hewlett Packard, gaat in het najaar chips leveren met 25.000 genen.''

Bernards ziet vooral toepassingsmogelijkheden bij het classificeren van tumoren: ''Tot nu toe is de therapie bij kanker sterk op ervaring gebaseerd. Zo weten we dat in het geval van borstkanker met uitzaaiingen naar de lymfeklieren een bepaalde cocktail goed werkt. Maar zelfs dan is de response bij lange na niet 100% en we weten niet waarom het zo vaak misgaat. Met de array-technologie kunnen we straks van elke patiënt een individueel gen-expressie profiel bepalen, waar we de chemotherapie op kunnen afstemmen.''