Biomedische onderzoekers begrijpen de functies van moleculen in de lichaamscellen steeds gedetailleerder door de resolutie van hun microscopen te vergroten. Echter, wat achterblijft, is hun vermogen om tegelijkertijd de vele verschillende moleculen die complexe moleculaire processen bemiddelen in één momentopname te visualiseren.

Nutsvoorzieningen, een team van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard, de LMU München, en het Max Planck Instituut voor Biochemie in Duitsland, heeft zeer veelzijdige metafluoroforen ontwikkeld door veelgebruikte kleine fluorescerende sondes te integreren in zelfvouwende DNA-structuren waar hun kleuren en helderheid digitaal kunnen worden geprogrammeerd. Deze nanotechnologische benadering biedt een palet van 124 virtuele kleuren voor microscopische beeldvorming of andere analytische methoden die in de toekomst kunnen worden aangepast om meerdere moleculaire spelers tegelijkertijd met ultrahoge definitie te visualiseren. De methode wordt gerapporteerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Met hun nieuwe methode de onderzoekers pakken het probleem aan dat tot nu toe slechts een beperkt aantal moleculaire soorten gelijktijdig met fluorescentiemicroscopie in een biologisch of klinisch monster kan worden gevisualiseerd. Door fluorescerende DNA-nanostructuren te introduceren die metafluoroforen worden genoemd - veelzijdige fluorescerende kleurstoffen waarvan de kleuren worden bepaald door hoe hun individuele componenten in driedimensionale structuren zijn gerangschikt - overwinnen ze dit knelpunt.

"We gebruiken DNA-nanostructuren als moleculaire pegboards:door specifieke componentstrengen op gedefinieerde posities van de DNA-nanostructuur te functionaliseren met een van de drie verschillende fluorescerende kleurstoffen, we bereiken een breed spectrum van maximaal 124 fluorescerende signalen met unieke kleurcomposities en intensiteiten, " zei Yin, die lid is van de kernfaculteit van het Wyss Institute en hoogleraar systeembiologie aan de Harvard Medical School. "Onze studie biedt een raamwerk waarmee onderzoekers een grote verzameling metafluoroforen kunnen construeren met digitaal programmeerbare optische eigenschappen die ze kunnen gebruiken om meerdere doelen te visualiseren in de monsters waarin ze geïnteresseerd zijn."

De op DNA-nanostructuur gebaseerde benadering kan worden gebruikt als een streepjescodesysteem om de aanwezigheid van veel specifieke DNA- of RNA-sequenties in monsters visueel te profileren in wat multiplexing wordt genoemd.

Om de visualisatie mogelijk te maken van meerdere moleculaire structuren in weefselmonsters waarvan de dikte de beweging van grotere DNA-nanostructuren kan beperken en het voor hen moeilijk kan maken om hun doelen te vinden, en om de mogelijkheid te verkleinen dat ze zich hechten aan niet-specifieke doelen die valse fluorescentiesignalen produceren, het team nam aanvullende technische stappen.

"We hebben een getriggerde versie van onze metafluorofoor ontwikkeld die zichzelf dynamisch assembleert uit kleine componentstrengen die alleen hun voorgeschreven vorm aannemen wanneer ze hun doelwit binden, zei Ralf Jungmann, doctoraat, die faculteit is aan de LMU München en het Max Planck Instituut voor Biochemie en samen met Yin het onderzoek uitvoerde. "Deze in-situ geassembleerde metafluoroforen kunnen niet alleen worden geïntroduceerd in complexe monsters met vergelijkbare combinatorische mogelijkheden als de geprefabriceerde om DNA te visualiseren, maar ze kunnen ook worden gebruikt om antilichamen te labelen als veelgebruikte detectiereagentia voor eiwitten en andere biomoleculen."

"Dit nieuwe type programmeerbare, microscopie-verbeterende DNA-nanotechnologie onthult hoe werk in het Molecular Robotics Initiative van het Wyss Institute nieuwe manieren kan uitvinden om langdurige problemen in de biologie en de geneeskunde op te lossen. Deze metafluoroforen die kunnen worden geprogrammeerd om zichzelf te assembleren wanneer ze hun doelwit binden, en die gedefinieerde fluorescerende streepjescode-uitlezingen hebben, vertegenwoordigen een nieuwe vorm van apparaten op nanoschaal die kunnen helpen om complexe, meercomponenten, biologische interacties waarvan we weten dat ze bestaan, maar die we vandaag niet kunnen bestuderen, " zei Wyss oprichter Donald Ingber, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de Harvard Medical School en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, en hoogleraar bio-engineering aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.