De første af deres slags billeder kunne hjælpe med at bruge DNA til at bygge nanoskala-enheder

Et internationalt team, der arbejder ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har fanget de første højopløselige 3-D-billeder fra individuelle dobbelthelix-DNA-segmenter, der er fastgjort i hver ende til guld-nanopartikler. Billederne detaljerer den fleksible struktur af DNA-segmenterne, som fremstår som hoppereb i nanoskala.

Denne unikke billeddannelsesevne, banebrydende af Berkeley Lab-forskere, kunne hjælpe med brugen af ​​DNA-segmenter som byggesten til molekylære enheder, der fungerer som lægemiddelleveringssystemer i nanoskala, markører for biologisk forskning, og komponenter til computerhukommelse og elektroniske enheder. Det kan også føre til billeder af vigtige sygdomsrelevante proteiner, der har vist sig at være uhåndgribelige for andre billeddannelsesteknikker, og af samlingsprocessen, der danner DNA fra separate, individuelle tråde.

Formerne af de snoede DNA-strenge, som var klemt mellem polygonformede guld nanopartikler, blev rekonstrueret i 3-D ved hjælp af en banebrydende elektronmikroskopteknik koblet med en proteinfarvningsproces og sofistikeret software, der leverede strukturelle detaljer i skalaen omkring 2 nanometer, eller to milliardtedele af en meter.

"Vi havde ingen idé om, hvordan det dobbeltstrengede DNA ville se ud mellem nanogold-partiklerne, " sagde banden "Gary" Ren, en videnskabsmand fra Berkeley Lab, der ledede forskningen. "Dette er første gang for direkte visualisering af et individuelt dobbeltstrenget DNA-segment i 3-D, " sagde han. Resultaterne blev offentliggjort i 30. marts-udgaven af Naturkommunikation .

Metoden udviklet af dette team, kaldet individuel-partikel elektrontomografi (IPET), havde tidligere fanget 3D-strukturen af ​​et enkelt protein, der spiller en nøglerolle i menneskelig kolesterolmetabolisme. Ved at tage 2D-billeder af det samme objekt fra forskellige vinkler, teknikken giver forskere mulighed for at samle et 3-D billede af det objekt. Holdet har også brugt teknikken til at afdække fluktuationen af ​​et andet velkendt fleksibelt protein, humant immunoglobulin 1, som spiller en rolle i vores immunforsvar.

For denne seneste undersøgelse af DNA -nanostrukturer, Ren brugte en elektronstråleundersøgelsesteknik kaldet kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM) til at undersøge frosne DNA-nanogold prøver, og brugte IPET til at rekonstruere 3-D-billeder fra prøver farvet med tungmetalsalte. Holdet brugte også molekylære simuleringsværktøjer til at teste de naturlige formvariationer, kaldet "konformationer, "i prøverne, og sammenlignede disse simulerede former med observationer.

Ren forklarede, at den naturligt fleksible dynamik i prøver, som en mand, der vifter med armene, kan ikke detaljeres fuldt ud med nogen metode, der bruger et gennemsnit af mange observationer.

En populær måde at se de strukturelle detaljer i nanoskala af sarte biologiske prøver er at forme dem til krystaller og zappe dem med røntgenstråler, selvom dette ikke bevarer deres naturlige form, og DNA-nanogoldprøverne i denne undersøgelse er utroligt udfordrende at krystallisere. Andre almindelige forskningsteknikker kan kræve en samling af tusinder næsten identiske objekter, set med et elektronmikroskop, at kompilere en enkelt, gennemsnitlig 3D-struktur. Men dette 3-D-billede viser muligvis ikke tilstrækkeligt de naturlige formudsving for et givet objekt.

Prøverne i det seneste eksperiment blev dannet ud fra individuelle polygon guld nanostrukturer, måler omkring 5 nanometer på tværs, forbundet til enkelt DNA-segmentstrenge med 84 basepar. Basepar er grundlæggende kemiske byggesten, der giver DNA dets struktur. Hvert individuelt DNA-segment og guldnanopartikel lynede naturligt sammen med en partner for at danne det dobbeltstrengede DNA-segment med en guldpartikel i hver ende.

Prøverne blev flash-frosset for at bevare deres struktur til undersøgelse med cryo-EM-billeddannelse, og afstanden mellem de to guldpartikler i individuelle prøver varierede fra 20-30 nanometer baseret på forskellige former observeret i DNA-segmenterne. Forskere brugte et kryo-elektronmikroskop på Berkeley Labs Molecular Foundry til denne undersøgelse.

De samlede en række vippede billeder af de farvede genstande, og rekonstruerede 14 elektrondensitetskort, der detaljerede strukturen af ​​individuelle prøver ved hjælp af IPET-teknikken. De samlede et dusin konformationer til prøverne og fandt ud af, at DNA-formvariationerne var i overensstemmelse med dem, der blev målt i de flash-frosne cryo-EM-prøver. Formerne var også i overensstemmelse med prøver undersøgt ved hjælp af andre elektronbaserede billeddannelses- og røntgenspredningsmetoder, og med computersimuleringer.

Mens 3D-rekonstruktionerne viser prøvernes grundlæggende nanoskalastruktur, Ren sagde, at det næste skridt vil være at arbejde for at forbedre opløsningen til sub-nanometer skalaen.

"Selv i denne nuværende tilstand begynder vi at se 3-D strukturer ved 1- til 2-nanometer opløsning, "sagde han." Gennem bedre instrumentering og forbedrede beregningsalgoritmer, det ville være lovende at skubbe opløsningen til den, der visualiserer en enkelt DNA-helix i et individuelt protein."

Teknikken, han sagde, har allerede vakt interesse blandt nogle fremtrædende medicinalvirksomheder og nanoteknologiforskere, og hans videnskabsteam har allerede snesevis af relaterede forskningsprojekter i støbeskeen.

I fremtidige undersøgelser, forskere kunne forsøge at forbedre billedopløsningen for komplekse strukturer, der inkorporerer flere DNA-segmenter som en slags "DNA-origami, " sagde Ren. Forskere håber at bygge og bedre karakterisere molekylære enheder i nanoskala ved hjælp af DNA-segmenter, der kan, for eksempel, opbevare og levere medicin til målrettede områder i kroppen.

"DNA er let at programmere, syntetisere og replikere, så det kan bruges som et specielt materiale til hurtigt at samle sig selv til nanostrukturer og til at styre driften af ​​enheder i molekylær skala, " sagde han. "Vores nuværende undersøgelse er blot et proof of concept for billeddannelse af denne slags molekylære enheders strukturer."