Recente ontwikkelingen in fluorescentiemicroscopie stellen onderzoekers in staat biologische processen onder de klassieke diffractielimiet van licht te bestuderen. Ralf Jungmann, Professor voor Experimentele Fysica aan de Ludwig-Maximilians-Universität in München en onderzoeksgroepleider aan het Max Planck Instituut voor Biochemie, en collega's ontwikkelden DNA-PAINT, een variant van deze zogenaamde superresolutiebenaderingen. "DNA-PAINT levert super-opgeloste beelden op met vergelijkbaar eenvoudige microscopen", zegt Jungmann. De techniek maakt gebruik van korte, kleurstof-gelabelde DNA-strengen die tijdelijk interageren met hun doelgebonden complementen om het noodzakelijke "knipperen" te creëren voor reconstructie met superresolutie. Deze benadering maakt sub-10 nm ruimtelijke resolutie en gemakkelijke multiplexing mogelijk door het gebruik van orthogonale DNA-sequenties voor verschillende doelen.

"In recente jaren, we hebben DNA-PAINT geoptimaliseerd op een paar belangrijke gebieden. Echter, een belangrijke beperking blijft bestaan, waardoor DNA-PAINT niet kan worden toegepast op biomedisch relevante studies met hoge doorvoer:de nogal trage beeldacquisitiesnelheid", zegt Jungmann. Klassieke DNA-PAINT-experimenten kunnen gemakkelijk tientallen minuten tot uren duren. "We hebben goed nagegaan waarom dit zo lang duurt", zegt Florian Schüder, hoofdauteur van de huidige studie en medewerker in de groep van Jungmann. "Geoptimaliseerd DNA-sequentieontwerp en verbeterde beeldbuffercondities stelden ons in staat om dingen met een orde van grootte te versnellen", voegt Schuder toe.

Van het DNA-origami-broodbord tot cellen

Om de verbeteringen aan DNA-PAINT kwantitatief te beoordelen, de onderzoekers gebruikten DNA-origamistructuren, die zelf samengesteld zijn, DNA-objecten van nanometerformaat die autonoom in vooraf gedefinieerde vormen vouwen. Deze structuren kunnen worden gebruikt om DNA-PAINT-bindingsplaatsen te rangschikken die precies op afstand van b.v. afstanden van 5 nm. Hierdoor konden de onderzoekers de snelheidsverbetering in DNA-PAINT evalueren met behulp van goed gedefinieerde omstandigheden. In een volgende stap, het team paste de snelheidsverbetering ook toe op een cellulair systeem. Voor deze, microtubuli, die deel uitmaken van het cytoskelet, werden gevisualiseerd met superresolutie, 10 keer sneller dan voorheen. "Dankzij de hogere beeldsnelheid konden we in slechts 8 uur een gebied van één vierkante millimeter met een resolutie van 20 nm verwerven. Dit zou ons bijna vier dagen eerder hebben gekost", legt Schuder uit.

Ralf Jungmann besluit:"Met deze huidige verbeteringen, waardoor we 10 keer sneller beelden kunnen maken, we brengen DNA-PAINT naar een hoger niveau. Het zou nu haalbaar moeten zijn om het toe te passen op high-throughput studies met biologische en biomedische relevantie, b.v. in diagnostische toepassingen."