Selvsamlende reagenser med justerbare farver og lysstyrke muliggør meget multiplekset tagging, mikroskopisk billeddannelse

Biomedicinske forskere forstår funktionerne af molekyler i kroppens celler i stadig større detalje ved at øge opløsningen af ​​deres mikroskoper. Imidlertid, Det, der halter bagefter, er deres evne til samtidig at visualisere de mange forskellige molekyler, der medierer komplekse molekylære processer i et enkelt øjebliksbillede.

Nu, et team fra Harvard's Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, LMU München, og Max Planck Institute of Biochemistry i Tyskland, har konstrueret meget alsidige metafluoroforer ved at integrere almindeligt anvendte små fluorescerende prober i selvfoldende DNA-strukturer, hvor deres farver og lysstyrke kan programmeres digitalt. Denne nanoteknologiske tilgang tilbyder en palet af 124 virtuelle farver til mikroskopisk billeddannelse eller andre analytiske metoder, der kan tilpasses i fremtiden til at visualisere flere molekylære spillere på samme tid med ultrahøj definition. Metoden er rapporteret i Videnskabens fremskridt .

Med deres nye metode, forskerne adresserer det problem, at indtil videre kun et begrænset antal molekylære arter kan visualiseres samtidigt med fluorescensmikroskopi i en biologisk eller klinisk prøve. Ved at introducere fluorescerende DNA-nanostrukturer kaldet metafluoroforer - alsidige fluorescerende farvestoffer, hvis farver bestemmes af, hvordan deres individuelle komponenter er arrangeret i 3-dimensionelle strukturer - overvinder de denne flaskehals.

"Vi bruger DNA-nanostrukturer som molekylære pegboards:ved at funktionalisere specifikke komponentstrenge på definerede positioner af DNA-nanostrukturen med et af tre forskellige fluorescerende farvestoffer, vi opnår et bredt spektrum på op til 124 fluorescerende signaler med unikke farvesammensætninger og intensiteter, " sagde Yin, som er medlem af kernefakultetet ved Wyss Institute og professor i systembiologi ved Harvard Medical School. "Vores undersøgelse giver en ramme, der gør det muligt for forskere at konstruere en stor samling af metafluoroforer med digitalt programmerbare optiske egenskaber, som de kan bruge til at visualisere flere mål i de prøver, de er interesserede i."

Den DNA-nanostrukturbaserede tilgang kan bruges som et stregkodesystem til visuelt at profilere tilstedeværelsen af ​​mange specifikke DNA- eller RNA-sekvenser i prøver i det, der kaldes multipleksing.

For at muliggøre visualisering af flere molekylære strukturer i vævsprøver, hvis tykkelse kan begrænse bevægelsen af ​​større DNA-nanostrukturer og gøre det vanskeligt for dem at finde deres mål, og for at reducere muligheden for, at de binder sig til ikke-specifikke mål, der producerer falske fluorescenssignaler, holdet tog yderligere tekniske trin.

"Vi udviklede en udløst version af vores metafluorofor, der dynamisk samler sig selv fra små komponentstrenge, der kun antager deres foreskrevne form, når de binder deres mål, sagde Ralf Jungmann, Ph.D., der er fakultet ved LMU München og Max Planck Institute of Biochemistry og co-udførte undersøgelsen sammen med Yin. "Disse in-situ samlede metafluoroforer kan ikke kun indføres i komplekse prøver med lignende kombinatoriske muligheder som de præfabrikerede til at visualisere DNA, men de kunne også udnyttes til at mærke antistoffer som udbredte detektionsreagenser til proteiner og andre biomolekyler."

"Denne nye type programmerbar, mikroskopi-forstærkende DNA-nanoteknologi afslører, hvordan arbejdet i Wyss Institutes Molecular Robotics Initiative kan opfinde nye måder at løse langvarige problemer inden for biologi og medicin. Disse metafluoroforer, der kan programmeres til at samle sig selv, når de binder deres mål, og som har definerede fluorescerende stregkodeudlæsninger, repræsentere en ny form for enheder i nanoskala, der kunne hjælpe med at afsløre komplekse, multi-komponent, biologiske interaktioner, som vi ved eksisterer, men som vi ikke har mulighed for at studere i dag, " sagde Wyss stiftende direktør Donald Ingber, M.D., Ph.D., som også er Judah Folkman Professor i Vascular Biology ved Harvard Medical School og Vascular Biology Program ved Boston Children's Hospital, og professor i bioingeniør ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.