DNA-moleculen bestaan simpel gezegd uit ketens van vier verschillende moleculen, zogeheten basen, die worden aangeduid met C, G, A en T: de letters waarmee onze genetische informatie is vastgelegd. Doordat zowel de C en de G als de A en de T onderling paren vormen, kunnen twee strengen met de juiste - complementaire - volgorde van basen als het ware aan elkaar ritsen. Op die manier bepaalt de basevolgorde van strengen met welke andere DNA-moleculen ze kunnen reageren. Daardoor kun je van te voren de gewenste reacties programmeren, vergelijkbaar met het schrijven van software.

Dat blijkt in een reageerbuisje al bijzonder goed te werken, vertelt Merkx. “De specifieke DNA-moleculen die je voor een berekening nodig hebt, kun je gewoon online bestellen. Voor een paar tientjes heb je ze twee dagen later in huis, en dan doen ze eigenlijk ook altijd wat ze moeten doen.” Wil je echter iets zinnigs doen met zo’n berekening, dan heeft de DNA-computer ook een ‘interface’ nodig met zijn omgeving: je moet in staat zijn om bepaalde input aan te bieden en na afloop ook het resultaat van de berekening te kunnen uitlezen, of op een andere manier te benutten.

Onlangs publiceerde Merkx met zijn promovendus Wouter Engelen en collega’s van Computational Biology een artikel in vakblad Nature Communications, waarin ze laten zien dat ze antilichamen -moleculen die we aanmaken tegen ziekteverwekkers - als input kunnen gebruiken voor een DNA-computer. “Het antilichaam heeft een zodanige vorm dat het twee DNA-moleculen bij elkaar kan brengen”, legt Merkx uit. “Hierdoor kunnen die twee moleculen samen reageren, waarbij weer een nieuw stuk DNA vrijkomt dat in afwezigheid van het antilichaam niet zou worden gevormd.” In de studie laten ze hun DNA-computer in een volgende stap een fluorescerend molecuul maken, waarmee de aanwezigheid van het antilichaam letterlijk zichtbaar wordt. Daarnaast kan de DNA-computer ook signalen versterken en logische operaties uitvoeren met meerdere verschillende antilichamen als input.

De nieuwe methode, die de Eindhovense onderzoekers Antibody-Templated Strand Exchange hebben gedoopt, is in een wiskundig model gevat door Lenny Meijer en Tom de Greef (links op de foto bovenin) van Computational Biology. Met dit model wisten ze te voorspellen met welke moleculen en concentraties de computer optimaal zou functioneren. Het onderwerp is niet nieuw voor hem, vertelt De Greef. “In dit geval hebben wij een model gemaakt bij een concept van Maarten, maar we zijn zelf ook al een paar jaar bezig met DNA-computers, zowel theoretisch als experimenteel.”

Zijn groep richt zich daarbij meer op de fundamentele aspecten zoals modulariteit, legt hij uit. “We bestuderen bijvoorbeeld hoe je kunt voorkomen dat de computer slechter gaat functioneren als dezelfde moleculen betrokken zijn bij verschillende stappen van de berekening; je wilt niet dat een module stil komt te liggen doordat de benodigde moleculen in gebruik zijn door een andere module.” Daarnaast onderzoeken De Greef en zijn collega’s hoe je met DNA aan ‘distributed computing’ kunt doen, door de verschillende logische bewerkingen te laten uitvoeren in aparte compartimenten.

Merkx en zijn collega’s wisten overigens al eerder antilichamen aan te tonen met fluorescentie: handig om een diagnose stellen met een relatief eenvoudig apparaatje. Daarbij is de tussenstap van de DNA-computer in principe niet nodig. Dat wordt anders wanneer je bijvoorbeeld bloedwaarden continu in de gaten wilt kunnen houden en automatisch de medicatie wilt kunnen aanpassen. Met name voor auto-immuunziekten zoals reuma of de ziekte van Crohn zou dat heel handig kunnen zijn, legt Merkx uit.

“Het zou fantastisch zijn als je die antilichamen
door een DNA-computer in de bloedbaan kunt laten meten”

“Daar zijn wel goede, op antilichamen gebaseerde therapieën voor, maar die zijn wel duur en moeten ook uitgebreid ingeregeld worden. De patiënt moet telkens naar de arts om zijn bloedwaarden te laten meten en de dosering van de medicatie aan te passen. Het zou fantastisch zijn als je die antilichamen door een DNA-computer in de bloedbaan kunt laten meten, waarbij automatisch ook de medicijnafgifte wordt geregeld.”

Er bestaan al capsules waarin je medicijnen langere tijd in het lichaam kunt opslaan, een soort minuscule ‘kooitjes’ afgesloten met een slot gemaakt van DNA. De output van de DNA-computer zou dan een DNA-sleutel kunnen zijn, die het medicijn naar behoefte vrijmaakt uit de capsules. “Het is een droom om dat te kunnen doen op basis van een berekening met meerdere markers in het bloed”, zegt Merkx. “Vorig jaar zijn wij er zelf al in geslaagd om antilichamen inactief te maken met DNA. Dat biedt mogelijkheden om deze antilichamen alleen op bepaalde plekken in het lichaam in te zetten, bijvoorbeeld voor het bestrijden van een tumor. Moleculen die alleen in de tumor aanwezig zijn, zouden dan het DNA-slot kunnen openen en zo het antilichaam activeren.”