Simulatie laat werking hiv zien

Onderwerp: Biofysica (vwo), Modelleren
Begrippen: Kracht

Er zijn steeds meer technieken waarmee wetenschappers biologische processen in beeld kunnen brengen. Maar waarom een proces verloopt zoals het verloopt, is niet altijd duidelijk. Bij het onderzoek naar de levenscyclus van het humaan immunodeficiëntievirus (hiv) gebruiken wetenschappers daarom simulaties om inzicht te krijgen in wat er gebeurt.

Biofysica is het onderzoeksgebied dat zich richt op de natuurkundige werking van biologische systemen. Bij biofysisch onderzoek bestudeer je deze biologische systemen en processen met behulp van natuurkundige principes en methoden. In dit artikel zie je een mooi voorbeeld van biofysisch onderzoek, waarbij we de werking van hiv (het virus dat aids veroorzaakt) onder de loep nemen.

In figuur 1 zie je de algemene levenscyclus van een virus, waarin de door het virus geïnfecteerde cel – de zogenoemde gastheercel – vele kopieën van het virus gaat produceren. De infectie begint wanneer het virus zich hecht aan het celmembraan van de gastheercel en ermee fuseert. Het virale RNA komt zo de gastheercel binnen en wordt door omgekeerde transcriptie eerst omgezet in DNA. Vervolgens dringt het nieuwgevormde virale DNA de celkern binnen en integreert in het DNA van de gastheercel. De gastheercel wordt zo misleid om de bouwstenen voor nieuwe virussen te produceren (replicatie). Deze bouwstenen voegen zich samen tot nieuwe virusdeeltjes (assemblage) die de cel verlaten om zo andere cellen te kunnen infecteren. 

Levenscyclus virus
Figuur 1: Levenscyclus van een virus. Bron: Marjolein de Jager.

Er is al veel onderzoek gedaan naar allerlei soorten virussen. Ook hiv is uitgebreid onderzocht. Daarom begrijpen we vrijwel alle stappen uit de levenscyclus van dit virus tot in detail. Deze kennis helpt onderzoekers bij het ontwikkelen van medicijnen. Toch is er nog één stap in de levenscyclus van hiv die we nog niet begrijpen, dat is het vormen van het zogenoemde pre-integratiecomplex (PIC). 

Het pre-integratiecomplex is een specifieke structuur die het virale DNA moet aannemen om de celkern van de gastheercel binnen te kunnen dringen. Om deze structuur te kunnen vormen heeft hiv een klein arsenaal aan virale eiwitten tot zijn beschikking. Eén van deze eiwitten is het enzym integrase. Onderzoekers aan de Universiteit Utrecht hebben daarom experimenteel onderzoek gedaan naar het effect van de aanwezigheid van integrase op de structuur van hiv-DNA.

Wat zien we in de experimenten?

Simpel gezegd hebben de onderzoekers stukken hiv-DNA gemengd met verschillende concentraties integrase. Daarna hebben ze onder een microscoop gekeken naar de structuur van het hiv-DNA. De microscoop die ze hiervoor hebben gebruikt is een atoomkrachtmicroscoop, in het Engels atomic force microscope (AFM). Dit is een microscoop die met een minuscuul verend stripje met daaraan een extreem fijne naald een oppervlak kan aftasten. Het apparaat meet met een laser de beweging van de veer. Dat geeft op nanometerschaal het hoogteprofiel van de structuur waar de naald overheen gegaan is. Je kunt het principe vergelijken met de naald van een platenspeler die een langspeelplaat aftast. In figuur 2 zie je een aantal van de microscopieplaatjes die dat opleverde. 

Atoomkrachtmicroscoop (AFM)
Figuur 2: Links: schematische weergave van een atoomkrachtmicroscoop (AFM). De punt van de naald bestaat uit slechts één atoom. Rechts: AFM-plaatjes van hiv-DNA (~4800 basenparen) bij verschillende concentraties integrase. De lichte stipjes op de achtergrond zijn integrasemoleculen. De vergrotingen laten de drie verschillende types structuren zien. Bron: Marjolein de Jager.

In figuur 2 zie je duidelijk dat het hiv-DNA zich zonder integrase als normaal DNA gedraagt (het ziet eruit als een stukje kronkelend touw). Maar als het hiv-DNA zich bevindt in een omgeving met hoge concentraties integrase dan vormt het hiv-DNA een dichte, samengeklonterde structuur. Hieruit concludeerden de onderzoekers dat de integrasemoleculen aan het hiv-DNA binden en er zo voor zorgen dat het DNA samenklontert. Bij het kijken naar de beelden bij verschillende concentraties vonden de onderzoekers de structuren die ze zagen bij lage tot gemiddelde concentraties integrase het interessantst. Er lijken een soort DNA-bloemetjes te zijn ontstaan. Deze bloemetjes bestaan uit een kern van meerdere integrasemoleculen gebonden aan de DNA-streng, met daar omheen lussen van ‘kaal’ DNA (waar geen integrase aan is gebonden). 

Deze bloemstructuren waren niet eerder waargenomen. De onderzoekers vroegen zich dan ook af wat de mechaniek is achter de vorming ervan. Maar het is erg lastig om dit soort vormingsprocessen in een experiment realtime te bestuderen (door de extreem kleine schaal). Daarom besloten de onderzoekers om het effect van de aanwezigheid van integrase op hiv-DNA verder te bestuderen met behulp van computersimulaties.

Hoe kunnen we dit met een computer onderzoeken?

Computersimulaties maken gebruik van digitale modellen die de componenten van het systeem in kwestie beschrijven (in dit geval het hiv-DNA met de integrasemoleculen). Om zo’n model te kunnen maken, moet een onderzoeker weten wat de onderlinge interacties zijn – dat wil zeggen de krachten die de verschillende componenten op elkaar uitoefenen.

Voor biologische objecten zoals DNA bestaan er zogenoemde all-atom-modellen, die elk atoom en de bijbehorende interacties tot in detail weergeven. Het voordeel van deze modellen is dat ze een zeer realistische weergave van de werkelijkheid bieden. Het nadeel is wel dat ze extreem veel rekenkracht vereisen, waardoor het al snel enige weken (of zelfs maanden) kan duren om slechts enkele picoseconden (10-12 s) van het proces te simuleren. Het is daarom gebruikelijk om als alternatief een vereenvoudigd, grof model te ontwerpen dat alleen de essentiële ingrediënten bevat om het gedrag van het systeem te kunnen nabootsen. 

Grof model voor DNA

Laten we voor het ontwerpen van zo’n grof model eerst eens kijken naar het modelleren van DNA. In feite kun je DNA zien als een microscopisch stuk touw met een bepaalde stijfheid en elasticiteit. Een eenvoudig model dat in de wetenschap vaak wordt gebruikt om DNA te modelleren is het zogenoemde beads-on-a-string-model, oftewel het kralenkoordmodel. In figuur 3 zie je een schematische weergave van dit model. 

Schematische weergave all-atom-model en kralenkoordmodel
Figuur 3: Schematische weergave van een all-atom-model (links) versus het vereenvoudigde kralenkoordmodel (rechts). Eén DNA-kraal representeert twaalf basenparen en ervaart twee veerkrachten en een buigkracht. Ter vergelijking: voor dit kleine stukje DNA zouden bijna een miljoen interacties moeten worden berekend voor het all-atom-model en slechts 30 interacties voor het kralenkoordmodel. Bron: Marjolein de Jager.

In het grove model wordt de DNA-streng vervangen door harde kralen die aan elkaar vastzitten met kleine veertjes. De veerconstante van deze veertjes wordt zo gekozen dat het DNA-model dezelfde elasticiteit heeft als echt DNA. Om de stijfheid van DNA na te bootsen, voegen we een extra kracht toe die buigen tegengaat. Deze buigkracht, die vergelijkbaar is met een veerkracht, heeft een buigconstante die zodanig wordt ingesteld dat de juiste stijfheid – de werkelijke stijfheid van het DNA – wordt gereproduceerd. In figuur 4 zijn twee filmpjes te zien van een kralenkoordmodel: boven met een realistische buigconstante voor DNA en onder met een te kleine buigconstante. 

Figuur 4: Filmpjes van kralenkoordmodel met een realistische buigconstante voor DNA (boven) en een te kleine buigconstante (onder). Bron: Marjolein de Jager.

Grof model voor integrase

Voor het simuleren van integrase gebruiken we ook weer een erg vereenvoudigd model. Hiervoor kiezen we een bol (even groot als de DNA-kralen) die zich aan een DNA-kraal bindt wanneer deze dicht genoeg in de buurt is (zie figuur 5). De integrasebol kan zich – vanwege de atomaire structuur van hiv-DNA en integrase – aan maximaal vier DNA-kralen tegelijkertijd binden. Deze chemische bindingen tussen integrase en DNA hebben een specifieke sterkte. Hierdoor zal een binding worden verbroken als de kracht die hierop wordt uitgeoefend deze bindingskracht overtreft. De sterkte van de binding tussen integrase en DNA kunnen we herleiden uit de experimenten.

Schematische weergave gesimuleerde systeem
Figuur 5: Schematische weergave van het gesimuleerde systeem. In de vergroting is een integrasebol te zien die zich aan vier DNA-kralen (die dichtbij genoeg zijn) gebonden heeft. Bron: Marjolein de Jager.

Met de definitie van DNA en integrase is ons model nu bijna compleet. Het laatste wat we nog moeten vaststellen is de kracht die twee integrasebollen op elkaar uitoefenen. Omdat we deze interactie niet exact kennen vanuit de experimenten, kijken we naar twee algemene opties:

  1. De integrasebollen gedragen zich als harde knikkers en voelen geen onderlinge aantrekkingskracht. Dit noemen we het niet-attractieve model.
  2. De integrasebollen gedragen zich als harde knikkers die elkaar een klein beetje aantrekken als ze dicht genoeg bij elkaar zijn (vergelijkbaar met kleine, zwakke magneetjes). Dit noemen we het attractieve model.

Wat zien we in de simulaties?

Nu we een compleet model hebben dat alle onderdelen en interacties in het systeem beschrijft, kunnen we de computersimulaties uitvoeren. Kort gezegd bestaat een simulatie uit een lange reeks van kleine tijdstapjes, waarin steeds de posities van alle onderdelen geüpdatet worden aan de hand van de krachten die ze ervaren. Net als bij de experimenten bekijken we situaties met verschillende integraseconcentraties. Ook testen we beide integrase-integrase-interacties (niet-attractief versus attractief). In figuur 6 zijn twee voorbeelden te zien van deze simulaties: boven met niet-attractieve integrase en onder met attractieve integrase. Om beter zichtbaar te maken wat er precies gebeurt, zoomen de filmpjes in op de DNA-streng en zijn de niet-gebonden integrasebollen onzichtbaar gemaakt. 

Figuur 6: Filmpje van een simulatie met niet-attractieve integrase (boven) en attractieve integrase (onder). Bron: Marjolein de Jager.

De twee filmpjes laten duidelijk twee verschillende manieren zien waarop DNA kan samenvouwen. Dit verschil wordt misschien nog duidelijker wanneer we naar een paar stilstaande beelden van deze simulaties kijken (zie figuur 7). 

Samenvouwen DNA bij niet-attractieve en attractieve integrase
Figuur 7: Verschil in samenvouwen van DNA in aanwezigheid van niet-attractieve integrase (boven) en attractieve integrase (onder). De laatste manier komt overeen met de structuren waargenomen in de experimenten (zie ook figuur 2). Bron: Marjolein de Jager.

In de simulatie waarbij de integrasebollen elkaar aantrekken – attractieve integrase – wordt eerst een DNA-bloemetje gevormd (met een aantal integrasebollen in de kern van de bloem). Deze DNA-bloem vouwt zich daarna verder samen tot een dicht samengeklonterde bal van DNA en integrase. Dit komt precies overeen met de structuren die we in de experimenten zagen. De simulatie met niet-attractieve integrase daarentegen, laat zien dat de integrasebollen op verschillende plekken bruggetjes vormen tussen verschillende stukken van de DNA-streng. Hoewel deze bruggetjes de DNA-streng in zekere mate samenvouwen, wordt er uiteindelijk geen dichte, samengeklonterde bal gevormd. 

Wat leren we hiervan?

De simulaties van hiv-DNA met integrase tonen aan dat de onderlinge interactie tussen integrasemoleculen veel invloed heeft op het samenvouwen van DNA. We zagen dat alleen de simulaties waarin de integrasebollen elkaar aantrokken leiden tot de DNA-integrase-structuren waargenomen in de experimenten. De aantrekkingskracht tussen integrasemoleculen is dus essentieel voor het samenvouwen van hiv-DNA. Alleen als het hiv-DNA zich zo samenvouwt, kan het virus de cel binnendringen. Het verstoren van de aantrekkingskracht tussen de integrasemoleculen zou daarom een potentiële strategie kunnen zijn voor het ontwikkelen van een nieuw medicijn tegen aids.