DNA-onderzoek in mariene biologie

Het DNA

Alle organismen bevatten DNA: het molecuul waarin de erfelijke informatie ligt opgeslagen. Je kunt DNA zien als het handboek van een organisme. Het bevat instructies voor bijvoorbeeld eiwitproductie, celdeling en allerlei processen in het lichaam. Het DNA molecuul heeft de vorm van een dubbele helix en bestaat uit bouwstenen met vier basen: A, T, C en G. De volgorde van deze letters vormt de genetische code. Bij het sequencen van DNA kunnen we deze volgorde aflezen.

Stukjes DNA bevatten informatie voor bepaalde eigenschappen, bijvoorbeeld voor het hebben van blauwe ogen of het aanmaken van een specifiek enzym dat suikers afbreekt. Alle DNA samen noemen we het genoom. Dit zit vooral in de celkern, maar ook mitochondriën – de energiefabrieken van de cel – hebben eigen DNA. Bij fotosynthetiserende organismen, zoals zeewieren en planten, zit ook DNA in chloroplasten (bladgroenkorrels).

Genetische informatie lezen

Door DNA te sequencen krijgen we genetische informatie. We kunnen ervoor kiezen om het volledige genoom te lezen met zogenaamde whole-genome sequencing, maar die enorme hoeveelheid informatie is lang niet altijd nodig. Je kunt het vergelijken met een encyclopedie: die lees je alleen van kaft tot kaft als je echt alles wilt weten. Meestal zoek je gewoon een specifiek onderwerp op.

Dat is ook wat biologen doen wanneer ze een soort willen identificeren. In plaats van al het DNA te lezen, kijken ze naar een klein stukje DNA dat geschikt is om soorten van elkaar te onderscheiden. De DNA-volgorde in zo’n stukje moet precies verschillend genoeg zijn om soorten uit elkaar te houden, maar nog wel vergelijkbaar zodat je ze kunt herkennen als verwante soorten.

Zo’n specifiek stukje DNA noemen we een DNA-barcoding marker. Het werkt eigenlijk net als een streepjescode in de supermarkt: aan de hand van een korte code kun je zien om welke soort het gaat. Welke marker wordt gebruikt, verschilt per groep organismen. Voor sommige soortgroepen is één marker niet genoeg en worden meerdere DNA-markers gebruikt om een soort zeker te kunnen identificeren.

Van organisme tot sequentie

Tussen het verzamelen van een organisme onder water en het uiteindelijk identificeren van de soort via DNA zitten heel wat stappen. Het begint met het bewaren van een klein stukje weefsel, bijvoorbeeld in ethanol of silicagel, zodat het DNA goed intact blijft. In het laboratorium wordt vervolgens het DNA uit de cellen gehaald. Dit gebeurt door de cellen open te breken, waarna het DNA wordt vrijgemaakt en gezuiverd van andere stoffen zoals eiwitten en suikers.

Daarna wordt een specifiek stukje DNA – de barcoding marker – miljoenen keren gekopieerd met behulp van een techniek die PCR heet (Polymerase Chain Reaction). Je kunt dit proces zien als een soort kopieermachine voor DNA. Eerst worden de twee DNA-strengen van elkaar gescheiden door verhitting, alsof je een rits opent. Vervolgens hechten korte stukjes DNA, de zogeheten primers, zich aan de juiste plek op het DNA. Deze primers geven precies aan welk stukje DNA gekopieerd moet worden. Een enzym (polymerase) bouwt daarna nieuwe DNA-strengen, waardoor het aantal kopieën verdubbelt. Dit proces wordt tientallen keren herhaald, waardoor er uiteindelijk miljoenen kopieën van hetzelfde DNA-fragment ontstaan.

Tot slot wordt dit DNA gesequenced: de volgorde van de bouwstenen (A, T, C en G) wordt afgelezen. Met deze sequentie kunnen onderzoekers bepalen om welke soort het gaat en hoe die verwant is aan andere soorten.

Het determineren van een soort

Iedereen is uniek, omdat iedereen een unieke combinatie van DNA heeft. Daardoor zie je er anders uit dan je buurman of een toevallige duiker die je onder water tegenkomt. Toch lijk je vaak wel op je ouders, broers of zussen. Dat komt niet alleen door opvoeding, maar ook doordat je veel DNA met je familie deelt.

Op een vergelijkbare manier kunnen biologen DNA gebruiken om soorten van elkaar te onderscheiden. De DNA-sequentie die we hebben verkregen, wordt vergeleken met sequenties van andere organismen. Daarbij wordt gekeken welk percentage van de DNA-volgorde identiek is. Hoe groter de overeenkomst, hoe groter de kans dat het om dezelfde soort gaat of om een nauw verwante soort.

Daarvoor zijn wel referentiegegevens nodig. Gelukkig worden veel DNA-sequenties opgeslagen in publieke databases. Een van de grootste databases is GenBank. Hierin staan honderdduizenden sequenties van allerlei organismen, waaronder bijvoorbeeld zeewieren, zeenaaktslakken en krabben.

Toch zit hier een belangrijk probleem. Publieke databases worden niet altijd goed gecontroleerd en bevatten soms fout geïdentificeerde soorten. Als er bijvoorbeeld maar één DNA-sequentie van een soort in de database staat en die soort is ooit verkeerd op naam gebracht, dan nemen andere onderzoekers die fout onbewust over.

Een identificatie die alleen gebaseerd is op een snelle match met de referentiedatabase kan dus fout zijn. Soms is er bovendien niet één duidelijke beste match. Het kan gebeuren dat een DNA-sequentie evenveel overeenkomt met meerdere soorten. In zulke gevallen is extra analyse nodig, bijvoorbeeld door fylogenetische bomen te maken om de verwantschappen tussen soorten beter te begrijpen.

Fylogenetische bomen

Een fylogenetische boom is een schematische weergave van de evolutionaire verwantschappen tussen soorten of individuen. In een fylogenetische boom staan de soorten of individuen aan de uiteinden van de takken. Soorten waarvan de takken dicht bij elkaar liggen, zijn nauwer aan elkaar verwant dan soorten die verder uit elkaar liggen. De getallen bij de takken (bootstrap-waardes) geven aan hoe betrouwbaar de vertakkingen in de boom zijn.

In het voorbeeld hieronder staat een fylogenetische boom van Zeesla-soorten (Ulva) en Dwergdarmwieren (Blidingia). Het is duidelijk te zien dat de twee Dwergdarmwieren nauwer verwant zijn aan elkaar dan aan de Zeesla-soorten.

Waarom DNA-onderzoek nuttig is in de (mariene) biologie

DNA-onderzoek kan op veel manieren worden gebruikt in biologisch onderzoek. In taxonomie en evolutieonderzoek wordt het vooral gebruikt om soorten te identificeren en om verwantschappen tussen soorten te bestuderen. Dit is vooral handig bij soorten die moeilijk op uiterlijk te onderscheiden zijn, zoals zeer kleine soorten, soorten die sterk op elkaar lijken, of nieuwe (niet-inheemse) soorten die in Nederland opduiken.

Maar DNA-onderzoek kan voor veel meer worden gebruikt. Zo kan het inzicht geven in genetische verschillen tussen populaties van één soort, helpen bij het opsporen van ziekteverwekkers in de aquacultuur, en bij het onderzoeken welke genen betrokken zijn bij de productie van bepaalde chemische stoffen of bij aanpassing aan klimaatverandering.

Soorten identificeren met DNA is echter niet zonder valkuilen. De juiste DNA-marker moet worden gekozen en de referentiegegevens in databases moeten betrouwbaar zijn. DNA-onderzoek is daarom een krachtig hulpmiddel voor biologen en taxonomen, maar werkt het best in combinatie met goede soortkennis en klassieke taxonomie.