Ralf Jungmann is geïnteresseerd in processen die plaatsvinden binnen ongelooflijk kleine ruimtelijke dimensies. Jungmann is hoogleraar experimentele natuurkunde aan de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) in München, en leidt een onderzoeksgroep in moleculaire beeldvorming en bionanotechnologie aan het Max Planck Instituut voor Biochemie (Martinsried), en richt zich op het uitbreiden van de mogelijkheden van optische microscopie. Zijn doel is om de moleculaire interacties die plaatsvinden binnen individuele cellen te visualiseren. Om de eiwitnetwerken die betrokken zijn bij dergelijke processen te monitoren, hij gebruikt korte DNA-strengen die covalent aan verschillende fluorescentiemarkers zijn bevestigd als probes om doeleiwitten te lokaliseren die complementaire DNA-tags dragen. Door gebruik te maken van de sequentiespecificiteit en veelzijdigheid van DNA-hybridisatie, het is mogelijk om de verdelingen van grote aantallen moleculen in afzonderlijke cellen met superresolutie af te beelden. De combinatie van DNA-sequenties met verschillende fluorescerende verbindingen verklaart waarom de techniek de naam DNA-PAINT draagt.

Een van de belangrijkste beperkingen op het potentieel van fluorescentiemicroscopie met superresolutie heeft te maken met de markers die worden gebruikt om doelen van biologisch belang te detecteren - ze zijn gewoon te groot. "We werken met een instrumentele resolutie van minder dan 10 nanometer. Maar de fluorescerende labels die conventioneel worden gebruikt om eiwitten te taggen, zijn veel groter dan dat. En deze factor heeft de voortgang van dit hele onderzoeksgebied belemmerd, " legt Jungmann uit. Dit is wat het werk motiveerde dat in een nieuwe studie werd beschreven, die in het journaal verschijnt Natuurmethoden . In deze krant, Jungmann en zijn collega's onderzoeken het gebruik van zogenaamde SOMAmers, een speciale klasse van DNA-aptameren, als een middel om de markers die in DNA-PAINT worden gebruikt, te verkleinen. De term 'aptameer' werd oorspronkelijk bedacht om te verwijzen naar enkelstrengs RNA-moleculen die zich vouwen in gedefinieerde driedimensionale vormen en in staat zijn om specifiek unieke eiwitsoorten te detecteren. De aptameren van Jungmann zijn enkelstrengs DNA-moleculen, die vouwen in gedefinieerde driedimensionale vormen die direct kunnen binden aan specifiek gerichte eiwitten.

"Het ideale label dat wordt gebruikt om eiwitten efficiënt en specifiek te taggen, moet aan verschillende criteria voldoen, " zegt Sebastian Strauss, een lid van Jungmann's groep en eerste auteur van de nieuwe studie. "Het moet zo klein mogelijk zijn, en het zou stoichiometrisch aan doelen moeten binden om nauwkeurige kwantificering mogelijk te maken. In aanvulling, het zou ideaal zijn om hele bibliotheken van deze verbindingen te synthetiseren en snel geschikte markers voor de eiwitten van belang te identificeren. Om het potentieel van DNA-aptameren te beoordelen, het LMU-team werkte samen met de Amerikaanse firma SomaLogic, die al had ontworpen, voor andere doeleinden, een enorm scala aan gemodificeerde aptameren (SOMA-meren) die specifiek duizenden verschillende eiwitten kunnen binden. In de nieuwe studie de onderzoekers uit München wijzigden een selectie van deze aptameren voor DNA-PAINT en ontwikkelden efficiënte labelingsprotocollen voor vaste en levende cellen. De huidige studie toont aan dat het inderdaad mogelijk is om de resolutie die haalbaar is met conventionele fluorescentielabels te verbeteren met behulp van deze nieuwe labelreagentia in combinatie met DNA-PAINT superresolutiemicroscopie.

"We verwachten dat de nieuwe methode een aanzienlijke boost zal geven aan superresolutiemicroscopie, vooral met betrekking tot het toepassingsgebied in de biologie, ", zegt Ralf Jungmann. Zijn doel is om met DNA-PAINT zoveel mogelijk eiwitten en hun interacties tegelijkertijd te visualiseren en te monitoren. In toekomstige experimenten zijn hij en zijn collega's van plan om de nieuwe labelingsmethode te gebruiken om hele eiwitnetwerken met hoge resolutie af te beelden. "We zullen biologische en biomedische vragen kunnen beantwoorden die tot nu toe experimenteel ontoegankelijk waren."