Onderzoekers breiden voortdurend hun arsenaal aan methoden uit om de ruimtelijke organisatie van biologische structuren te ontcijferen. Met behulp van microscopen, ze kunnen nu individuele macromoleculaire componenten in DNA visualiseren, eiwit, of andere complexen. Echter, deze resolutie vereist doorgaans geavanceerde apparatuur die wordt toegepast op speciaal verwerkte monsters, en het is moeilijk om tegelijkertijd naar veel soorten moleculen te kijken, vooral bij hoge dichtheid en doorvoer, of dynamische interacties.

Het omzeilen van de noodzaak van dure microscopen, sommige recente biochemische benaderingen hechten DNA-sondes met streepjescode aan moleculaire doelen en smelten die vervolgens in nabijgelegen paren samen, vaak door DNA-ligatie. Deze DNA "records" worden later uitgelezen voor analyse. Omdat deze methoden de DNA-sondes tijdens het paren vernietigen, echter, de informatie die van elk moleculair doelwit wordt verkregen, mag niet meer dan één interactie omvatten, noch meerdere tegelijk, noch één die in de loop van de tijd verandert. Dergelijke methoden kunnen de kwaliteit van elke volgende computationele reconstructie ernstig beperken, en reconstructie van individuele complexen onmogelijk maken.

Om deze beperkingen te overwinnen, een team van het Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering van Harvard onder leiding van kernfaculteitslid Peng Yin, doctoraat, heeft nu een op DNA-nanotechnologie gebaseerde methode ontwikkeld die herhaalde, niet-destructieve opname van unieke moleculaire paringen met streepjescode, een gedetailleerd beeld geven van hun componenten en geometrieën. In de toekomst, de aanpak zou onderzoekers kunnen helpen begrijpen hoe veranderingen in moleculaire complexen biologische processen in levende cellen beheersen. De studie is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Onze methode, die we "Auto-cycling Proximity Recording" (APR) noemen, fungeert in wezen als een continue biochemische recorder van de moleculaire structuren, " zei Yin, die ook hoogleraar systeembiologie is aan de Harvard Medical School. "APR stelt ons in staat om gelijktijdig en herhaaldelijk naar vele nabijheiden te kijken, en met minimale verstoring van de structuur. Door het volledige complement van al dergelijke paren in vele cycli te beoordelen, we kunnen een gedetailleerd beeld van een moleculaire structuur creëren en zelfs verschillende structurele toestanden van dezelfde doelen observeren."

Als proof-of-principle, het team ontwierp meerdere DNA-sondes in silico, en gesynthetiseerd en gehecht aan moleculaire doelen in de voorgeschreven geometrieën van DNA-origami-nanostructuren. Door deze nieuw ontworpen DNA-gericht biochemisch mechanisme, een record in de vorm van een DNA-streng met streepjescode wordt op de structuur gesynthetiseerd als en alleen als twee van deze DNA-sondes zich dicht genoeg bij elkaar bevinden ("nabijheidsopname"). Records worden vrijgegeven zoals ze worden gesynthetiseerd, en later verzameld voor sequentieanalyse.

In tegenstelling tot andere biochemische methoden, elk individueel APR-doel kan meer dan 30 DNA-records opleveren ("auto-cycling"), waardoor robuuste gegevensverzameling mogelijk is. Na het verzamelen van alle DNA-records, het team stelde hun sequenties samen en reconstrueerde met succes de geometrie van de synthetische nanostructuren. Dus, de aanpak functioneert als een 'DNA-nanoscoop', die gebruikmaakt van specifiek gemanipuleerde DNA-biochemie om doelparen in een moleculair object te visualiseren. Voortbouwend op deze nieuwe mogelijkheden, de Wyss-onderzoekers waren zelfs in staat om veranderingen in de staat van individuele nanostructuren te documenteren, het verhogen van de mogelijkheid dat de aanpak kan worden gebruikt om structurele overgangen in moleculaire complexen te correleren met hun biologische functies.

"Door antilichamen en andere veelgebruikte middelen te gebruiken om DNA-sondes naar moleculaire doelen te leiden, we zouden APR-technologie kunnen toepassen om de componenten en geometrieën van biologische complexen te decoderen, " zei Thomas Schaus, MD, doctoraat, een stafwetenschapper van het Wyss Institute die als eerste auteur van de studie samen met Yin APR ontwikkelde. "Het feit dat individuele DNA-records unieke, sequentiële barcodes en dat de methode schaalbaar is, kan ons in staat stellen om op een dag te volgen, individueel, duizenden of miljoenen macromoleculen in een biochemische route."

"De ontwikkeling van APR als een nanotechnologisch middel om moleculaire structuren te ontcijferen zonder de noodzaak van uitgebreide en dure microscopen, illustreert echt hoe het onlangs gelanceerde Molecular Robotics-initiatief van het Wyss Institute van invloed kan zijn op structureel biologieonderzoek en ontwikkelingen in veel laboratoria, " zei Donald Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de HMS en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, evenals hoogleraar bio-engineering aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.