Eiwitten werken meestal niet geïsoleerd, maar vormen eerder grotere complexen zoals de moleculaire machines die cellen in staat stellen met elkaar te communiceren, vracht verplaatsen in hun interieur of hun DNA repliceren. Ons vermogen om elk afzonderlijk eiwit in deze machines te observeren en te volgen, is cruciaal voor ons uiteindelijke begrip van deze processen. Nog, de komst van superresolutiemicroscopie waarmee onderzoekers dicht gepositioneerde moleculen of moleculaire complexen met een resolutie van 10-20 nanometer konden visualiseren, is niet krachtig genoeg om individuele moleculaire kenmerken binnen die dicht opeengepakte complexen te onderscheiden.

Een team van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard onder leiding van kernfaculteitslid Peng Yin, doctoraat, heeft, Voor de eerste keer, in staat zijn om kenmerken te onderscheiden die slechts 5 nanometer van elkaar verwijderd zijn in een dicht opeengepakte, enkele moleculaire structuur en om de tot dusver hoogste resolutie in optische microscopie te bereiken. Gerapporteerd op 4 juli in een onderzoek in Natuur Nanotechnologie , de technologie, ook wel "discrete moleculaire beeldvorming" (DMI) genoemd, verbetert het door DNA-nanotechnologie aangedreven superresolutiemicroscopieplatform van het team met een geïntegreerde reeks nieuwe beeldvormingsmethoden.

Vorig jaar, de mogelijkheid om onderzoekers in staat te stellen goedkope superresolutiemicroscopie te gebruiken met behulp van op DNA-PAINT gebaseerde technologieën, leidde ertoe dat het Wyss Institute zijn spin-off Ultivue Inc.

"De ultrahoge resolutie van DMI brengt het DNA-PAINT-platform een ​​stap verder in de richting van de visie om de ultieme kijk op biologie te bieden. Met dit nieuwe resolutievermogen en de mogelijkheid om zich te concentreren op individuele moleculaire kenmerken, DMI is een aanvulling op de huidige structurele biologiemethoden zoals röntgenkristallografie en cryo-elektronenmicroscopie. Het opent een manier voor onderzoekers om moleculaire conformaties en heterogeniteiten te bestuderen in complexen met één enkele component, en biedt een gemakkelijke, snelle en gemultiplexte methode voor de structurele analyse van veel parallelle monsters", aldus Peng Yin, die ook hoogleraar systeembiologie is aan de Harvard Medical School.

DNA-PAINT-technologieën, ontwikkeld door Yin en zijn team zijn gebaseerd op de tijdelijke binding van twee complementaire korte DNA-strengen, de ene is bevestigd aan het moleculaire doelwit dat de onderzoekers willen visualiseren en de andere bevestigd aan een fluorescerende kleurstof. Herhaalde cycli van binden en ontbinden creëren een zeer gedefinieerd knippergedrag van de kleurstof op de doelplaats, die zeer programmeerbaar is door de keuze van DNA-strengen en nu verder is benut door het huidige werk van het team om beeldvorming met ultrahoge resolutie te bereiken.

"Door verder gebruik te maken van belangrijke aspecten die ten grondslag liggen aan de knipperende omstandigheden in onze op DNA-PAINT gebaseerde technologieën en door een nieuwe methode te ontwikkelen die kleine maar extreem ontwrichtende bewegingen compenseert van de microscooptafel die de monsters draagt, we zijn erin geslaagd om het potentieel verder te vergroten dan wat tot nu toe mogelijk was in superresolutiemicroscopie, " zei Mingjie Dai, wie is de eerste auteur van de studie en een afgestudeerde student die met Yin werkt.

In aanvulling, de studie was co-auteur van Ralf Jungmann, doctoraat, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het team van Yin en nu een groepsleider aan het Max Planck Instituut voor Biochemie aan de Ludwig Maximilian Universiteit in München, Duitsland.

De wetenschappers van het Wyss Institute hebben de ultrahoge resolutie van DMI gebenchmarkt met behulp van synthetische DNA-nanostructuren. Volgende, de onderzoekers zijn van plan de technologie toe te passen op werkelijke biologische complexen, zoals het eiwitcomplex dat DNA dupliceert in delende cellen of celoppervlakreceptoren die hun liganden binden.

"Peng Yin en zijn team hebben opnieuw barrières doorbroken die nooit eerder mogelijk waren door gebruik te maken van de kracht van programmeerbaar DNA, niet voor informatieopslag, maar maak `moleculaire instrumenten' op nanoschaal die gedefinieerde taken uitvoeren en uitlezen wat ze analyseren. Deze nieuwe vooruitgang in hun door DNA aangedreven beeldvormingsplatform met superresolutie is een verbazingwekkende prestatie die het potentieel heeft om de innerlijke werking van cellen op het niveau van één molecuul bloot te leggen met behulp van conventionele microscopen die beschikbaar zijn in gewone biologielaboratoria, " zei Donald Ingber, MD, doctoraat, die 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 ook hoogleraar bio-engineering aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.