Extractie van aardbeien-DNA

Al maanden heb ik het idee om hierover te schrijven, maar nu is dan écht het aardbeien seizoen fatsoenlijk bezig. Vandaag een eenvoudige manier om met DNA te spelen.

DNA vind ik maar merkwaardig spul: vier soorten basisblokjes, in een schijnbaar willekeurige volgorde. Sommige mensen geloven dat alle genetische informatie in DNA gecodeerd zit. Tegenwoordig zijn er een aantal sterke vermoedens dat er meer moleculen invloed hebben op de genetische code, zoals histonen. In één cel wel twee meter lang (als je al het DNA in die cel achter elkaar zou leggen). Zo’n DNA-streng is dan wel maar een miljoenste van een millimeter breed. Zou het nou niet leuk zijn, om wat zuiver DNA te kunnen zien? Met het blote oog?

Vandaag de extractie van DNA uit een aardbei. Waarom een aardbei? Mensen hebben twee kopieën van hun DNA in elke cel. Aardbeien daarentegen hebben er acht. Mensen zijn ‘diploïd’, aardbeien ‘octaploïd.’ Maar goed, genoeg theorie, tijd om vieze handen te krijgen.

Een ingekleurde SEM-afbeelding van een aardbei. © Creative Commons: Annie Cavanagh, Wellcome Image.

Benodigdheden

  • Maatbeker
  • Maatlepels
  • Ethanol (bijvoorbeeld ontsmettingsalcohol, schoonmaakalcohol of spiritus)
  • 1/2 theelepel zout
  • 1/3 kop water
  • 1 theelepel detergent (afwasmiddel of échte zeep)
  • Glas of kleine schaal
  • Theedoek of koffiefilter
  • Trechter
  • Hoog drinkglas
  • 3 aardbeien, zonder kroontje
  • Hersluitbare plastic broodzakjes
  • Reageerbuis of klein glazen potje (bijv. kruidenpotje)
  • Lange satéprikkers

Uitvoering

  1. Koel de alcohol in de diepvries. Die ga je later nodig hebben.
  2. Meng het zout, water en de detergent (afwasmiddel) in een glas of kleine kom. Dit is de ‘extractievloeistof.’
  3. Span de theedoek of het koffiefilter in de trechter en zet de tuit van de trechter in het glas.
  4. Doe de aardbeien in de plastic zakjes en druk de lucht eruit. Zorg ervoor dat er geen lucht meer bij kan komen door ze af te sluiten.
  5. Druk met je vingers de aardbeien stuk tot een papje (twee minuten). Zorg ervoor dat je het zakje niet kapot maakt.
  6. Voeg drie theelepels van de extractievloeistof die je in stap twee maakte, bij de aardbeien in het zakje. Druk alle extra lucht er weer uit en hersluit het zakje. De detergent zorgt ervoor dat de cellen van de aardbeien open gaan en het DNA eruit kan komen. Het zout zorgt ervoor dat het DNA aan elkaar gaat plakken. DNA is een klein beetje negatief geladen, maar daar merk je verder niks van.
  7. Druk weer voor ongeveer een minuut in het aardbeienpapje, zodat alles goed is gemengd.
  8. Schenk het aardbeienmengsel vanuit het zakje, in de trechter (dus in het koffiefilter of in de theedoek). Laat het vocht in het glas druipen zodat er geen vocht meer achter blijft in de trechter.
  9. De theedoek en het het aardbeienprutje heb je niet meer nodig, dus die kun je weg doen. Doe de inhoud van het glas met aardbeienvocht in de reageerbuis (of kleine glazen potje), zodat het ongeveer voor een kwart vol is.
  10. Houd de reageerbuis (of kruidenpotje) schuin en schenk heel langzaam de ijskoude alcohol langs de kant. Als je dit voorzichtig genoeg doet, blijft het bovenop het aardbeienvocht liggen, omdat alcohol een kleinere dichtheid heeft dan water. Het is belangrijk dat de alcohol niet met het aardbeienvocht mengt, omdat het DNA zich tussen de twee vloeistoflagen zal verzamelen. DNA lost niet op in alcohol. Als de alcohol wordt toegevoegd, precipiteert het DNA uit en blijft de rest van het mengsel in oplossing in het water.
  11. Doop een lang satéstokje in de reageerbuis, met de punt tussen de alcohollaag en het aardbijenwater in. Haal het satéstokje weer omhoog. Het witte (heldere) spul dat je nu omhoog trekt is het aardbeien-DNA. Tadaa!

Als je geen zin hebt in al dat geklooi met dingen, of heb je je aardbeien allemaal al opgegeten voordat je aan je experiment kon beginnen, dan kun je ook op de website van de Universiteit van Utah een DNA extractie doen: DNA Extraction Virtual Lab.

Met dank aan dr. Erika Eiser voor de tip, originele recept hier.

Arseenetende bacterie?

Vorige week verbaasde de NASA de wereld met een artikel over een bacterie die bij gebrek van fosfor, arseen kon gebruiken als bouwsteen. Of beter gezegd, de bacterie zou arsenaat (AsO43-) in plaats van fosfaat (PO43-) kunnen gebruiken. Je vraagt je misschien af: waarom is dat bijzonder?

Van een zestal elementen uit het periodiek systeem wordt gedacht dat ze essentieel zijn voor leven zoals we dat op aarde kennen. Waterstof, koolstof, stikstof, zuurstof, zwavel en fosfor komen we in elke levensvorm wel tegen. Natuurlijk zijn er ook andere elementen nodig, maar die zijn vaak wel vervangbaar door een ander element. Een mooi voorbeeld hiervan vind ik het eiwit hemoglobine. Dit eiwit zit in rode bloedcellen en is bij veel dieren (waaronder mensen) verantwoordelijk voor het transport van zuurstof en koolstofdioxide. In het actieve centrum van dit eiwit zit een ijzeratoom, wat het zuurstof bindt en waaraan bloed zijn rode kleur dankt. In een aantal diersoorten, zoals sommige krabben, zit echter geen hemoglobine, maar hemocyanine. Dit eiwit heeft dezelfde functie, maar bevat koper in plaats van ijzer. Deze diersoorten hebben hierdoor overigens ook geen rood bloed, maar blauw bloed.

Terug naar fosfor. In veel biologische verbindingen komt fosfor voor. Denk bijvoorbeeld aan DNA en RNA, die een ‘ruggengraat’ hebben die bestaat uit fosfaatesters. Als een cel (of dat er nu een van een mens of van een bacterie is) wil delen, dan is er dus onherroepelijk een bron van fosfor nodig om bijvoorbeeld het nieuwe DNA-kopie te kunnen maken.

DNA bestaat uit de vier basen Adenine, Thymine, Cytosine, Guanine (afgekort met A, T, C en G). De basen zitten aan elkaar via een fosfodiësterbinding.

De NASA heeft een bacterie ontdekt die goed blijkt te kunnen overleven in een omgeving met een hoge arseenconcentratie. De bacterie heet GFAJ-1 en is ontdekt in Mono Lake, Californië. Dit meer bevat van nature een relatief hoge concentratie arseenverbindingen (200 µM). Aangezien arseenverbindingen vaak giftig zijn, is het op zich al bijzonder te noemen dat een bacterie in dit meer kan overleven. Er zijn echter ook bacteriën die in bijvoorbeeld zwavelzuur of bij vulkanen overleven, dus in dat opzicht is de ontdekking niet revolutionair. De onderzoekers van de NASA claimen echter ook dat de bacterie het arseen kan inbouwen in het DNA in plaats van fosfor als laatstgenoemde niet voorhanden is. Dit suggereert dat fosfor misschien niet zo essentieel is als gedacht en dit stuit wél veel op weerstand. Fosfor is zo wijdverspreid in biomoleculen dat je niet verwacht dat je zomaar alle fosforatomen kunt vervangen door arseenatomen en dat alles dan keurig blijft werken.

Zoals eerder genoemd bestaat DNA uit fosfaatesters, of meer specifiek fosfodiësters: elke fosfaatgroep maakt twee esterbindingen. Hoewel arseen en fosfor allebei in groep 15 van het periodiek systeem staan, is de verwachting dat DNA met arseen een stuk minder stabiel is dan de normale variant. In het verleden is namelijk al eens onderzoek gedaan naar de stabiliteit van arsenaatesters en daaruit is gebleken dat triësters en diësters in water snel uit elkaar vallen. Snel is in dit geval een paar minuten. Hoewel een bacterie wellicht methodes heeft om dit tegen te gaan, zou dit bij de analyse wel een probleem moeten vormen. De extractie van het DNA uit de bacteriën te halen duurt enkele uren en het DNA is bij deze procedure opgelost in water. Het DNA van de bacterie die groeide met arseen zou dus stuk moeten zijn gegaan, maar bleef heel. Ook ontbreekt er sterk bewijs dat het arseen überhaupt is ingebouwd in het DNA. Er wordt wel wat bewijs aangevoerd, maar er kan zeker niet worden uitgesloten dat er een beetje arseen uit het groeimedium is meegekomen dat de resultaten beïnvloedt. De daarvoor benodigde controle-experimenten zijn simpelweg niet uitgevoerd.

In het artikel wordt beschreven of de bacterie groeit in aanwezigheid van arseen en afwezigheid van fosfor, en het omgekeerde. Helaas blijkt dat het groeimedium met ‘alleen’ arseen (tot 40 mM), vervuild is waardoor er toch nog nog een beetje fosfor (~ 3 µM) aanwezig is. Dat klinkt weinig, maar in de Sargassozee zit honderd keer minder fosfor (~ 10 nM) en daarin groeien bacteriën ook nog prima. In het artikel van de NASA worden ook nog de bacterieconcentraties in de verschillende groeimedia genoemd. Zoals Rosie Redfield in haar blogpost laat zien, is eenvoudig uit te rekenen dat dit ‘beetje fosfor’ meer dan genoeg is voor al het DNA van die bacteriën. Daarnaast barst het in Mono Lake van het fosfaat (~1 mM), dus een evolutionaire drijfveer om arseen in plaats van fosfor te gaan gebruiken is er ook al niet. Jammer.

Hoewel het erg leuk zou zijn als de beweringen van de NASA zouden kloppen, rammelt het artikel dus aan alle kanten. Er is geen direct bewijs dat het arseen daadwerkelijk is ingebouwd, het groeimedium was vervuild en er zijn geen goede controle experimenten gedaan. Het laatste woord is hier nog niet over gezegd. Vooralsnog lijkt het erop dat de NASA ‘slechts’ een arseenbestendige bacterie heeft gevonden die ook kan overleven als er weinig fosfaat aanwezig is. Dat op zich is erg interessant, maar niet zo revolutionair als de NASA ons wil doen geloven.

Lees ook: persbericht NASA, pdf NASA-artikel, en de blogposts van Rosie Redfield en Alex Bradley.

Scheikundige sieraden

Als je iets creatiefs gemaakt hebt, kun je dat verkopen op Etsy. Dat is zoiets als de Amerikaanse Marktplaats voor zelfgemaakte dingetjes. Die dingetjes kunnen van alles zijn. Speelgoed, tassen, boeken, kaarsen, muziek, patronen, kleding, geekery en sieraden. Je voelt het al aankomen: iemand tipte me over de sieraden die daar verkocht worden. En ja, allemaal handgemaakt! Als je favoriete molecuul cafeïne is, theobromine (interessantste stof in chocolade) of je wil een setje kopen, dan is dit je site. Prijzen variëren van tientallen tot honderden dollars.

Cafeïne is de stof in koffie die je zo lekker scherp en wakker maakt.
Theobromine is de interessantste stof in chocolade. Vind ik. Detail: cafeïne en theobromine verschillen maar één methyl (-CH3) groep.
Er zijn vier DNA baseparen, afgekort met G (guanine), C (cytosine), T (thymine) en A (adenine). G zit altijd tegenover C en T tegenover A (defecten daargelaten). Hoe romantisch is het dan, als de naam van je geliefde begint met de letter die tegenover het basepaar zit waarmee jou naam begint?

Bedankt voor de tip Inger.

Down down, baby get down

Heb jij je ook wel eens afgevraagd hoe klein dingen zijn? Gewoon, in het algemeen. Ik kwam deze flash tegen op de site van de universiteit van Utah (dat ligt in de Verenigde Staten). Hij toont hoe groot een lettergrootte 12 punten is (millimeterschaal). Daarna kun je inzoomen tot een koolstofatoom (picometerschaal). Ik vind wel dat er indrukwekkend veel tussen ligt.

Genetica van de Universiteit van Utah

De rest van de site staat vol met informatie over biochemie en celbiologie. Ze hebben ook een mooie verzameling informatieve fimpjes over cellen. De dynamica en communicatie van cellen word goed beschreven en er wordt goed gebruik gemaakt van wat Internet en flash allemaal kan.

Ook hebben ze een serie virtual labs: als je meer wil weten over DNA extractie, PCR, gel electrophoresis of DNA microarrays kun je ook bij hen terecht. Ergens anders op de site wordt ook uitgelegd hoe je van DNA naar eiwit komt. Supervet.

Alle scheikunde- en biologieleraren verzamelen! Gebruik deze in je les!

Nobelprijs voor de scheikunde 2009

De Nobelprijs voor medicijnen en fysiologie gaat dit jaar naar de ontdekking van hoe chromosomen worden beschermd door telomeren en het enzym telomerase. Ik vind dit biochemie.

De Nobelprijs voor de natuurkunde gaat dit jaar naar de CCD-camera (“for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication” and “for the invention of an imaging semiconductor circuit – the CCD sensor”). Dit vind ik wel een beetje laat (voor een uitvinding uit het Jaar van de Beatles: 1969).

En de Nobelprijs, voor de scheikunde, gaat naar… *tromgeroffel*

Chemistry 2009“Voor onderzoek naar de structuur en functie van het ribosoom.” Biochemie? In de hele scheikunde blogosphere, en de onderzoeksgroep waar de Scheikundejongens werken, rommelt en gonst het. Waarom gaat nu wéér de Nobelprijs voor de scheikunde naar iets biochemisch? Is onderzoek naar nanomaterialen niet gaaf genoeg? En een fatsoenlijke gekatalyseerde reactie dan? Iets met computational chemistry? Al sinds 1955 gaan er steeds meer scheikunde prijzen naar iets biochemisch, in plaats van keiharde chemie.

Nu kan ik natuurlijk een ellenlange discussie houden over het waarom en alles wat recht is krom lullen, maar een educatief retro-filmpje uit 1971 lijkt me vermakelijker. Sla gerust de uitleg over en begin met kijken op 3min10.

Protein synthesis: an epic on the cellular level

En het was nog lang onrustig in Scheikundeland.