Een internationaal team dat werkt bij het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft de eerste 3D-beelden met hoge resolutie vastgelegd van individuele DNA-segmenten met dubbele helix die aan beide uiteinden zijn bevestigd aan gouden nanodeeltjes. De afbeeldingen geven details over de flexibele structuur van de DNA-segmenten, die verschijnen als springtouwen op nanoschaal.

Deze unieke beeldvorming, ontwikkeld door Berkeley Lab-wetenschappers, zou kunnen helpen bij het gebruik van DNA-segmenten als bouwstenen voor moleculaire apparaten die functioneren als medicijnafgiftesystemen op nanoschaal, markers voor biologisch onderzoek, en componenten voor computergeheugen en elektronische apparaten. Het zou ook kunnen leiden tot beelden van belangrijke ziekterelevante eiwitten die ongrijpbaar zijn gebleken voor andere beeldvormingstechnieken, en van het assemblageproces dat DNA vormt uit afzonderlijke, individuele strengen.

De vormen van de opgerolde DNA-strengen, die waren ingeklemd tussen polygoonvormige gouden nanodeeltjes, werden in 3D gereconstrueerd met behulp van een geavanceerde elektronenmicroscooptechniek in combinatie met een eiwitkleuringsproces en geavanceerde software die structurele details opleverde op een schaal van ongeveer 2 nanometer, of twee miljardsten van een meter.

"We hadden geen idee hoe het dubbelstrengs DNA eruit zou zien tussen de nanogouddeeltjes, " zei Bende "Gary" Ren, een Berkeley Lab-wetenschapper die het onderzoek leidde. "Dit is de eerste keer dat een individueel dubbelstrengs DNA-segment direct in 3D wordt gevisualiseerd, " zei hij. De resultaten werden gepubliceerd in de editie van 30 maart van Natuurcommunicatie .

De door dit team ontwikkelde methode, zogenaamde individuele-deeltjeselektronentomografie (IPET), had eerder de 3D-structuur vastgelegd van een enkel eiwit dat een sleutelrol speelt in het cholesterolmetabolisme van de mens. Door 2D-beelden van hetzelfde object vanuit verschillende hoeken te pakken, de techniek stelt onderzoekers in staat om een ​​3D-beeld van dat object samen te stellen. Het team heeft de techniek ook gebruikt om de fluctuatie van een ander bekend flexibel eiwit te ontdekken, humaan immunoglobuline 1, die een rol speelt in ons immuunsysteem.

Voor deze laatste studie van DNA-nanostructuren, Ren gebruikte een elektronenstraal-studietechniek genaamd cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) om bevroren DNA-nanogold-monsters te onderzoeken, en gebruikte IPET om 3D-beelden te reconstrueren van monsters die waren gekleurd met zouten van zware metalen. Het team gebruikte ook moleculaire simulatietools om de natuurlijke vormvariaties te testen, genaamd "conformaties, " in de monsters, en vergeleek deze gesimuleerde vormen met waarnemingen.

Ren legde uit dat de van nature flexibele dynamiek van monsters, als een man die met zijn armen zwaait, kan niet volledig worden gedetailleerd door een methode die een gemiddelde van veel waarnemingen gebruikt.

Een populaire manier om de structurele details op nanoschaal van delicate biologische monsters te bekijken, is ze in kristallen te vormen en ze te zappen met röntgenstralen, hoewel dit hun natuurlijke vorm niet behoudt en de DNA-nanogold-monsters in deze studie ongelooflijk uitdagend zijn om te kristalliseren. Andere veelgebruikte onderzoekstechnieken kunnen een verzameling van duizenden bijna identieke objecten vereisen, bekeken met een elektronenmicroscoop, een enkele samenstellen, gemiddelde 3D-structuur. Maar dit 3D-beeld geeft mogelijk niet voldoende de natuurlijke vormschommelingen van een bepaald object weer.

De monsters in het laatste experiment werden gevormd uit individuele polygoon gouden nanostructuren, met een diameter van ongeveer 5 nanometer, verbonden met enkele DNA-segmentstrengen met 84 basenparen. Basenparen zijn chemische basisbouwstenen die het DNA zijn structuur geven. Elk afzonderlijk DNA-segment en gouden nanodeeltje zijn van nature aan elkaar geritst met een partner om het dubbelstrengs DNA-segment te vormen met aan beide uiteinden een gouddeeltje.

De monsters werden snel ingevroren om hun structuur te behouden voor studie met cryo-EM-beeldvorming, en de afstand tussen de twee gouddeeltjes in individuele monsters varieerde van 20-30 nanometer op basis van verschillende vormen die in de DNA-segmenten werden waargenomen. Onderzoekers gebruikten voor dit onderzoek een cryo-elektronenmicroscoop van Berkeley Lab's Molecular Foundry.

Ze verzamelden een reeks gekantelde afbeeldingen van de gekleurde objecten, en reconstrueerde 14 kaarten met elektronendichtheid die de structuur van individuele monsters gedetailleerd beschreven met behulp van de IPET-techniek. Ze verzamelden een dozijn conformaties voor de monsters en ontdekten dat de variaties in de DNA-vorm consistent waren met die gemeten in de snel ingevroren cryo-EM-monsters. De vormen waren ook consistent met monsters die werden bestudeerd met behulp van andere op elektronen gebaseerde beeldvormings- en röntgenverstrooiingsmethoden, en met computersimulaties.

Terwijl de 3D-reconstructies de basisstructuur op nanoschaal van de monsters laten zien, Ren zei dat de volgende stap zal zijn om te werken aan het verbeteren van de resolutie tot op sub-nanometerschaal.

"Zelfs in deze huidige staat beginnen we 3D-structuren te zien met een resolutie van 1 tot 2 nanometer, " zei hij. "Door betere instrumentatie en verbeterde computationele algoritmen, het zou veelbelovend zijn om de resolutie naar het visualiseren van een enkele DNA-helix in een individueel eiwit te duwen."

De techniek, hij zei, heeft al belangstelling gewekt bij enkele vooraanstaande farmaceutische bedrijven en onderzoekers op het gebied van nanotechnologie, en zijn wetenschappelijke team heeft al tientallen gerelateerde onderzoeksprojecten in de pijplijn.

In toekomstige studies, onderzoekers zouden kunnen proberen de beeldresolutie te verbeteren voor complexe structuren die meer DNA-segmenten bevatten als een soort "DNA-origami, " zei Ren. Onderzoekers hopen moleculaire apparaten op nanoschaal te bouwen en beter te karakteriseren met behulp van DNA-segmenten die kunnen, bijvoorbeeld, medicijnen opslaan en afleveren aan gerichte gebieden in het lichaam.

"DNA is gemakkelijk te programmeren, synthetiseren en repliceren, dus het kan worden gebruikt als een speciaal materiaal om snel zelf te assembleren tot nanostructuren en om de werking van apparaten op moleculaire schaal te begeleiden, " zei hij. "Onze huidige studie is slechts een proof of concept voor het in beeld brengen van de structuren van dit soort moleculaire apparaten."