Een team van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan de Harvard University heeft een speciale subsidie ​​van $ 3,5 miljoen ontvangen van de National Institutes of Health (NIH) om een ​​goedkope en gebruiksvriendelijke nieuwe microscopiemethode te ontwikkelen om tegelijkertijd veel kleine componenten van cellen.

De subsidie, genaamd een Transformative Research Award, maakt deel uit van een NIH-initiatief om risicovolle, onderzoek met hoge beloning, en in 2013 financierde het agentschap slechts 10 van deze projecten op nationaal niveau.

De op DNA gebaseerde microscopiemethode zou mogelijk kunnen leiden tot nieuwe manieren om ziekten te diagnosticeren door gezonde en zieke cellen te onderscheiden op basis van geavanceerde moleculaire details. Het kan wetenschappers ook helpen ontdekken hoe de componenten van de cel hun werk in de cel uitvoeren.

"Als je fysiologie en ziekte wilt studeren, je wilt zien hoe de moleculen werken, en het is belangrijk om ze in hun eigen omgeving te zien, " zei Peng Yin, doctoraat, een kernfaculteitslid aan het Wyss Institute en universitair docent systeembiologie aan de Harvard Medical School. Yin zal het project leiden, en hij zal samenwerken met Samie Jaffrey, MD, doctoraat, een professor in farmacologie aan het Weill Cornell Medical College, en Ralf Jungmann, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker in Yin's Wyss Institute lab, onder andere.

Biologen hebben microscopen gebruikt om te onthullen hoe kleine structuren in cellen ze ondersteunen en helpen bewegen, reproduceren, genen activeren, en nog veel meer. Maar hoewel microscoopmakers de technologie eeuwenlang hebben aangescherpt om steeds duidelijkere beelden te krijgen, ze zijn beperkt door de wetten van de fysica. Als twee objecten dichterbij zijn dan ongeveer 0,2 micrometer, of ongeveer een vijfhonderdste van de breedte van een mensenhaar, de wetenschappers kunnen ze niet meer onderscheiden met traditionele lichtmicroscopen. Als resultaat, de kijker ziet één wazige klodder waar in werkelijkheid twee objecten zijn. Dit komt door de manier waarop lichtstralen rond objecten buigen, en staat bekend als de diffractielimiet.

Moleculen zoals enzymen, receptoren, RNA en DNA die het meeste werk van de cel doen, zijn doorgaans veel kleiner dan 0,2 micrometer, en om ze te visualiseren, microscopisten hebben geworsteld om de diffractielimiet te overwinnen. Ze hebben verschillende slimme methoden ontwikkeld om dit te bereiken, maar sommige vereisen speciale microscopen die vaak erg duur zijn, en andere vereisen omslachtige procedures. Bovendien, de methoden van vandaag kunnen slechts een handvol verschillende molecuulsoorten tegelijk onthullen, en de beelden blijven waziger dan veel wetenschappers zouden willen.

Het door het Wyss Institute geleide team is van plan deze uitdagingen het hoofd te bieden door beeldvormingsmethoden met één molecuul te combineren met moleculaire hulpmiddelen van DNA-nanotechnologie. Met behulp van een beeldvormende methode genaamd DNA-PAINT, ze creëerden zogenaamde "imager-strengen" door kleine stukjes DNA te taggen met een fluorescerende kleurstof. Elk van deze imager-strengen bindt tijdelijk aan een overeenkomende DNA-streng die is bevestigd aan een doelmolecuul, waardoor het doel lijkt te knipperen. Zo'n knipperend, als het goed is gedaan, stelt wetenschappers in staat om de diffractielimiet te overschrijden en scherpere beelden van de doelen te verkrijgen dan anders mogelijk zou zijn.

"Het krachtige aan het gebruik van DNA ligt in de verbazingwekkende programmeerbaarheid, " zei Yin. "We zijn van plan om die mogelijkheid te gebruiken om moleculen in cellen op een programmeerbare en autonome manier te laten knipperen. Hierdoor kunnen we dingen zien die voorheen onzichtbaar waren."

Het team van Yin is gespecialiseerd in het gebruik van DNA om programmeerbare synthetische nanostructuren te maken. Twee weken geleden, de National Science Foundation kende het team en hun collega's een prestigieuze Expedition in Computing Award toe om synthetische DNA-systemen te ontwikkelen met programmeerbaar moleculair gedrag en functies. Met de NIH Transformative Research Award kunnen ze DNA gebruiken om knipperend licht te programmeren om ultrascherpe moleculaire en cellulaire beelden te produceren voor biomedisch onderzoek.

"Totdat we veel moleculaire componenten van cellen duidelijk en gelijktijdig kunnen visualiseren, we kunnen alleen weloverwogen gissingen maken over hoe ze samenwerken om hun complexe biologische functies uit te voeren, " zei Don Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat "Ik ben ervan overtuigd dat Pengs nieuwe goedkope benadering van superresolutiemicroscopie het landschap van biomedisch onderzoek zal veranderen, en leiden tot nieuwe diagnostiek die ziekte eerder en nauwkeuriger opspoort."