DNA-nanoteknologi åbner en ny vej til molekylær billeddannelse i superhøj opløsning

Et hold ved Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard University er blevet tildelt en særlig bevilling på 3,5 millioner dollars fra National Institutes of Health (NIH) til at udvikle en billig og brugervenlig ny mikroskopimetode til samtidig at se mange små komponenter af celler.

Tilskuddet, kaldet en Transformativ Forskningspris, er en del af et NIH-initiativ til finansiering af højrisiko, forskning med høj belønning, og i 2013 finansierede agenturet kun 10 af disse projekter nationalt.

Den DNA-baserede mikroskopimetode kan potentielt føre til nye måder at diagnosticere sygdom på ved at skelne mellem sunde og syge celler baseret på sofistikerede molekylære detaljer. Det kan også hjælpe videnskabsmænd med at afdække, hvordan cellens komponenter udfører deres arbejde inde i cellen.

"Hvis du vil studere fysiologi og sygdom, du vil se, hvordan molekylerne virker, og det er vigtigt at se dem i deres oprindelige miljøer, " sagde Peng Yin, Ph.D., et kernefakultetsmedlem ved Wyss Institute og assisterende professor i systembiologi ved Harvard Medical School. Yin vil lede projektet, og han vil samarbejde med Samie Jaffrey, M.D., Ph.D., professor i farmakologi ved Weill Cornell Medical College, og Ralf Jungmann, Ph.D., en postdoc i Yins Wyss Institute laboratorium, blandt andre.

Biologer har brugt mikroskoper til at afsløre, hvordan små strukturer inde i celler støtter dem op og hjælper dem med at bevæge sig, reproducere, aktivere gener, og meget mere. Men selvom mikroskopmagere har finpudset teknologien i århundreder for at få stadig klarere billeder, de har været begrænset af fysikkens love. Når to genstande er tættere på end omkring 0,2 mikrometer, eller omkring en fem hundrededel af bredden af ​​et menneskehår, forskerne kan ikke længere skelne dem ved hjælp af traditionelle lysmikroskoper. Som resultat, seeren ser én sløret klat, hvor der i virkeligheden er to objekter. Dette sker på grund af den måde, lysstråler bøjer rundt om genstande, og er kendt som diffraktionsgrænsen.

Molekyler som enzymer, receptorer, RNA og DNA, der udfører det meste af cellens arbejde, er typisk langt mindre end 0,2 mikrometer, og visualisere dem, mikroskopister har kæmpet for at overvinde diffraktionsgrænsen. De har udviklet flere smarte metoder, der opnår dette, men nogle af dem kræver specielle mikroskoper, der har tendens til at være meget dyre, og andre kræver besværlige procedurer. Hvad mere er, nutidens metoder kan kun afsløre en håndfuld forskellige molekylearter ad gangen, og billederne forbliver mere slørede, end mange videnskabsmænd kunne tænke sig.

Det Wyss Institute-ledede team planlægger at overvinde disse udfordringer ved at kombinere enkelt-molekyle billeddannelsesmetoder med molekylære værktøjer fra DNA-nanoteknologi. Ved hjælp af en billedbehandlingsmetode kaldet DNA-PAINT, de skabte såkaldte "imager-strenge" ved at mærke små stykker DNA med et fluorescerende farvestof. Hver af disse imager-strenge binder forbigående til en matchende DNA-streng, der er knyttet til et målmolekyle, hvilket får målet til at blinke. Sådan et blink, når det er gjort rigtigt, gør det muligt for forskere at overgå diffraktionsgrænsen og opnå skarpere billeder af målene end ellers muligt.

"Det stærke ved at bruge DNA ligger i dets fantastiske programmerbarhed, " sagde Yin. "Vi planlægger at bruge den evne til at få molekyler i celler til at blinke på en programmerbar og autonom måde. Dette vil give os mulighed for at se ting, der tidligere var usynlige."

Yins team har specialiseret sig i at bruge DNA til at lave programmerbare syntetiske nanostrukturer. To uger siden, National Science Foundation tildelte holdet og deres kolleger en prestigefyldt Expedition in Computing Award til at konstruere syntetiske DNA-systemer med programmerbar molekylær adfærd og funktioner. NIH Transformative Research Award vil give dem mulighed for at bruge DNA til at programmere blinkende lys til at producere ultraskarpe molekylære og cellulære billeder til biomedicinsk forskning.

"Indtil vi kan visualisere mange molekylære komponenter i celler klart og samtidigt, vi kan kun komme med kvalificerede gæt om, hvordan de går sammen om at udføre deres komplekse biologiske funktioner, " sagde Wyss Institutes stiftende direktør Don Ingber, M.D., Ph.D. "Jeg er overbevist om, at Pengs nye billige tilgang til superopløsningsmikroskopi vil transformere landskabet for biomedicinsk forskning, og føre til ny diagnostik, der opdager sygdommen tidligere og med større nøjagtighed."