Biofysici van de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) in München hebben voor het eerst een nieuwe variant van superresolutiemicroscopie gebruikt om alle strengen van een op DNA gebaseerde nanostructuur te visualiseren. De methode belooft het ontwerp van dergelijke constructies voor specifieke toepassingen te optimaliseren.

De term 'DNA-origami' verwijst naar een methode voor het ontwerpen en zelf samenstellen van complexe moleculaire structuren met nanometerprecisie. De techniek maakt gebruik van de basenparende interacties tussen enkelstrengs DNA-moleculen met een bekende sequentie om ingewikkelde driedimensionale nanostructuren te genereren met vooraf gedefinieerde vormen in willekeurig grote aantallen. De methode heeft een groot potentieel voor een breed scala aan toepassingen in fundamenteel biologisch en biofysisch onderzoek. Zo gebruiken onderzoekers al DNA-origami om functionele nanomachines te ontwikkelen. In deze context, het kunnen karakteriseren van de kwaliteit van het assemblageproces is essentieel. Nu een team onder leiding van Ralf Jungmann, Professor in Experimentele Fysica aan de LMU München en hoofd van het Molecular Imaging and Bionanotechnology lab aan het Max Planck Institute for Biochemistry (Martinsried), meldt een belangrijke vooruitgang in dit opzicht. In het online tijdschrift Natuurcommunicatie , hij en zijn collega's beschrijven een modus van superresolutiemicroscopie waarmee alle strengen in deze nanostructuren afzonderlijk kunnen worden gevisualiseerd. Dit heeft hen in staat gesteld te concluderen dat de montage op een robuuste manier verloopt onder een breed scala aan omstandigheden, maar dat de waarschijnlijkheid dat een bepaalde streng efficiënt zal worden opgenomen, afhangt van de precieze positie van zijn doelsequentie in de groeiende structuur.

DNA-origamistructuren worden in wezen geassembleerd door één lang enkelstrengs DNA-molecuul (de 'scaffold'-streng) te laten interageren in een gecontroleerde, vooraf gedefinieerde manier met een reeks kortere 'nietjes'-strengen. Deze laatste binden aan specifieke ('complementaire') stukken van de steigerstreng, geleidelijk vouwen in de gewenste vorm. "In ons geval, de DNA-strengen assembleren zichzelf tot een platte rechthoekige structuur, die op dit moment als de basisbouwsteen dient voor veel op DNA-origami gebaseerde onderzoeken, " zegt Maximiliaan Strauss, gezamenlijke eerste auteur van het nieuwe artikel, samen met Florian Schüder en Daniel Haas. Met behulp van een superresolutietechniek genaamd DNA-PAINT, de onderzoekers kunnen nanostructuren visualiseren met een ongekende ruimtelijke resolutie, waardoor ze elk van de strengen in de nanostructuren kunnen afbeelden. "Dus we kunnen nu alle componenten van de origami-structuur direct visualiseren en bepalen hoe goed het zichzelf in elkaar zet, ' zegt Strauss.

Zoals de naam al doet vermoeden, de DNA-PAINT-techniek zelf maakt ook gebruik van de specificiteit van DNA-DNA-interacties. Hier, korte 'imager'-strengen gekoppeld aan kleurstofmoleculen die paren met complementaire sequenties worden gebruikt om plaatsen te identificeren die toegankelijk zijn voor binding. Imager-strengen interageren tijdelijk maar herhaaldelijk met hun doelsites, wat resulteert in een "knipperend" signaal. "Door de informatie in de individuele fluorescentiebeelden te vergelijken, we in staat zijn om een ​​hogere resolutie te bereiken, zodat we de hele structuur in detail kunnen inspecteren, " zegt Strauss. "Dit fenomeen kan als volgt worden begrepen. Laten we zeggen dat we naar een huis kijken met twee verlichte ramen. Vanaf een bepaalde afstand gezien, het lijkt alsof het licht uit één bron komt. Echter, men kan gemakkelijk onderscheid maken tussen de posities van de twee ramen als de lichten afwisselend aan en uit worden geschakeld." de methode stelt de onderzoekers in staat om de posities van de gebonden stapelstrengen nauwkeurig te bepalen, en het specifieke knipperende signaal dat wordt uitgezonden door imager-strengen onthult sites die beschikbaar zijn voor binding.

De resultaten verkregen met de DNA-PAINT-methode lieten zien dat variaties in verschillende fysieke parameters - zoals de algehele snelheid van structuurvorming - weinig invloed hebben op de algehele kwaliteit van het assemblageproces. Echter, hoewel de efficiëntie kan worden verbeterd door het gebruik van extra stapelstrengen, niet alle strengen werden gevonden in alle gevormde nanodeeltjes, d.w.z. niet alle beschikbare locaties waren bezet in alle definitieve structuren. "Bij het assembleren van nanomachines is het daarom raadzaam dat de afzonderlijke componenten in grote overmaat worden toegevoegd en de posities van de wijzigingen worden gekozen in overeenstemming met onze mapping van integratie-efficiëntie, ' zegt Strauss.

De DNA-PAINT-methode biedt dus een middel om de constructie van DNA-nanostructuren te optimaliseren. In aanvulling, de auteurs zijn van mening dat de technologie een groot potentieel heeft op het gebied van kwantitatieve structurele biologie, omdat het onderzoekers in staat zal stellen om belangrijke parameters te meten, zoals de labelingsefficiëntie van antilichamen, cellulaire eiwitten en nucleïnezuren direct.