DNA-PAINT superopløsningsmikroskopi ved hastighed

Nylige fremskridt inden for fluorescensmikroskopi giver forskere mulighed for at studere biologiske processer under den klassiske diffraktionsgrænse for lys. Ralf Jungmann, Professor for eksperimentel fysik ved Ludwig-Maximilians-Universität i München og leder af forskningsgrupper ved Max Planck Institute of Biochemistry, og kolleger udviklede DNA-PAINT, en variant af disse såkaldte superopløsningstilgange. "DNA-PAINT giver super-opløste billeder ved hjælp af sammenligneligt simple mikroskoper", siger Jungmann. Teknikken bruger korte, farvestof-mærkede DNA-strenge, der forbigående interagerer med deres målbundne komplementer for at skabe det nødvendige "blink" til super-opløsningsrekonstruktion. Denne tilgang muliggør rumlig opløsning på under 10 nm og nem multipleksing gennem brug af ortogonale DNA-sekvenser for forskellige mål.

"I de seneste år, vi har optimeret DNA-PAINT på nogle få nøgleområder. Imidlertid, en stor begrænsning består stadig, som forhindrer DNA-PAINT i at blive anvendt på biomedicinsk relevante high-throughput undersøgelser:Den ret langsomme billedoptagelseshastighed", siger Jungmann. Klassiske DNA-PAINT-eksperimenter kan let vare fra titalls minutter til timer. "Vi har tjekket nøje, hvorfor det tager så lang tid", siger Florian Schüder, hovedforfatter til den aktuelle undersøgelse og medarbejder i Jungmanns gruppe. "Optimeret DNA-sekvensdesign og forbedrede billedbufferforhold gjorde det muligt for os at fremskynde tingene med en størrelsesorden", tilføjer Schüder.

Fra DNA origami brødbrættet til celler

For kvantitativt at vurdere forbedringerne af DNA-PAINT, forskerne brugte DNA-origami-strukturer, som er selvmonterede, nanometer-store DNA-objekter, der autonomt foldes til foruddefinerede former. Disse strukturer kan bruges til at arrangere DNA-PAINT-bindingssteder, der er anbragt præcist i afstand på f.eks. 5-nm afstande. Dette gjorde det muligt for forskerne at evaluere hastighedsforbedringen i DNA-PAINT ved hjælp af veldefinerede forhold. I et næste trin, holdet anvendte hastighedsforbedringen også på et cellulært system. For det, mikrotubuli, som er en del af cytoskeletet, blev visualiseret i super opløsning, 10 gange hurtigere end før. "Den øgede billedhastighed tillod os at erhverve et areal på en kvadratmillimeter ved en opløsning på 20 nm på kun 8 timer. Dette ville have taget os næsten fire dage før", forklarer Schüder.

Ralf Jungmann konkluderer:"Med disse nuværende forbedringer, som giver os mulighed for at tage billeder 10 gange hurtigere, vi bringer DNA-PAINT til det næste niveau. Det skulle nu kunne lade sig gøre at anvende det på high-throughput undersøgelser med biologisk og biomedicinsk relevans, f.eks. i diagnostiske applikationer."