Små oplyste stregkoder identificerer molekyler ved deres blink

En billedbehandlingsteknik udviklet på Duke University kunne gøre det muligt at kigge ind i celler og se snesevis af forskellige molekyler i aktion på én gang - ved at mærke dem med korte tråde af oplyst DNA, der blinker til og fra med deres egen unikke rytme.

"Ideen er, at alt har sit eget hjerteslag, "sagde første forfatter Shalin Shah, en ph.d. studerende i elektro- og computerteknik og datalogi hos Duke. "Vi kalder disse tidssignaler 'temporelle stregkoder'."

Når den er fastgjort til celler eller andre objekter og observeret i tilstrækkelig tid, disse stregkoder kunne bruges til at detektere og adskille et hvilket som helst antal ting på molekylær skala – inklusive særlige proteiner gemt blandt de titusinder, som menneskekroppen har brug for for at fungere og vokse.

Teknikken fungerer ved at bruge de flygtige interaktioner mellem to komplementære DNA-strenge, når de kolliderer i opløsning. Den ene streng er knyttet til et molekyle, som forskere ønsker at studere. Den anden er frit svævende og bærer et fluorescerende farvestof, der lyser, når de to tråde parres og derefter bliver mørke, når de går fra hinanden. Når det ses under et mikroskop over tid, ind- og udbindingen skaber et tydeligt blinkende mønster, der, afkodet, fungerer som et fingeraftryk.

Traditionelle teknikker skelner mellem molekyler ved hjælp af forskellige farvestoffer, eller ved at bruge én farve, men forskellige DNA-sekvenser og billeddannelse i trin, vaske dem af det ene mål, før du går videre til det næste.

Shah og hans kolleger siger, at de kan gøre det bedre.

Arbejder med Duke datalogi professor John Reif og postdoc-forsker Abhishek Dubey fra Oak Ridge National Laboratory, holdets tilgang øger antallet af forskellige signaler, det er muligt at skelne med en enkelt farve. Men i stedet for at stole på flere DNA-sekvenser som tidligere enkeltfarvede metoder, de holder sekvensen af ​​den frit svævende streng den samme og justerer i stedet ting som længden eller antallet af gentagne sekvenser på strengen knyttet til molekylet af interesse. Dette lader dem producere blink med forskellige frekvenser, varighed og lysstyrke.

I et papir offentliggjort online 5. april i tidsskriftet ACS syntetisk biologi , computersimuleringer tyder på, at det teoretisk er muligt at skelne så mange som 56 forskellige molekyler samtidigt, hver blinker til og fra i samme farve. Og hvis der bruges flere farvestoffer, tæller det balloner til tusinder. Forskerne siger, at deres teknik også er i stand til at gøre det til en brøkdel af prisen på andre metoder, og uden at falme under mikroskopets genskin over tid.

I et ledsagepapir, der blev offentliggjort 21. marts i tidsskriftet Nano bogstaver , holdet testede også deres tilgang i laboratoriet. Shah og Reif designede syv forskellige DNA-enheder, fastgjort dem til en glasoverflade, og afbildede dem ved hjælp af fluorescensmikroskopi. Med mindre end en times data var de i stand til at bruge hver enheds særskilte blinkende adfærd til at skelne dem.

"Vores mål er at udvikle en økonomisk og enkel, alligevel kraftfuld metode, "Shah sagde. "De tidsmæssige intensitetssignaler, der udsendes, er forskellige og kan fungere som et fingeraftryk."