Fra super- til ultraopløselig mikroskopi:Ny metode skubber grænsen til billedopløsning

Proteiner fungerer for det meste ikke isoleret, men udgør snarere større komplekser som de molekylære maskiner, der gør det muligt for celler at kommunikere med hinanden, flytte gods rundt i deres interiør eller replikere deres DNA. Vores evne til at observere og spore hvert enkelt protein i disse maskiner er afgørende for vores ultimative forståelse af disse processer. Endnu, fremkomsten af ​​superopløselig mikroskopi, der har gjort det muligt for forskere at begynde at visualisere tæt placerede molekyler eller molekylære komplekser med en opløsning på 10-20 nanometer, er ikke stærk nok til at skelne individuelle molekylære træk inden for de tætpakket komplekser.

Et team ved Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ledet af Core Fakultetsmedlem Peng Yin, Ph.d., har, for første gang, været i stand til at adskille funktioner, der kun var 5 nanometer i afstand fra hinanden i en tæt pakket, enkelt molekylær struktur og for at opnå den hidtil højeste opløsning i optisk mikroskopi. Rapporteret den 4. juli i en undersøgelse i Naturnanoteknologi , teknologien, også kaldet "diskret molekylær billeddannelse" (DMI), forbedrer teamets DNA-nanoteknologidrevne superopløsningsmikroskopiplatform med et integreret sæt nye billeddannelsesmetoder.

Sidste år, muligheden for at gøre det muligt for forskere med billig superopløselig mikroskopi ved hjælp af DNA-PAINT-baserede teknologier fik Wyss Institute til at lancere sin spin-off Ultivue Inc.

"Den ultrahøje opløsning af DMI fremmer DNA-PAINT-platformen et skridt videre mod visionen om at give det ultimative syn på biologi. Med denne nye opløsningskraft og evnen til at fokusere på individuelle molekylære træk, DMI supplerer de nuværende strukturbiologiske metoder som røntgenkrystallografi og kryo-elektronmikroskopi. Det åbner en måde for forskere at studere molekylære konformationer og heterogeniteter i enkeltkomponentkomplekser, og giver en let, hurtig og multiplekset metode til strukturel analyse af mange prøver parallelt "sagde Peng Yin, som også er professor i systembiologi ved Harvard Medical School.

DNA-PAINT teknologier, udviklet af Yin og hans team er baseret på forbigående binding af to komplementære korte DNA -tråde, den ene er knyttet til det molekylære mål, som forskerne sigter mod at visualisere, og den anden er knyttet til et fluorescerende farvestof. Gentagne cyklusser med binding og afbinding skaber en meget defineret blinkende adfærd for farvestoffet på målstedet, som er meget programmerbar ved valg af DNA-tråde og nu er blevet yderligere udnyttet af teamets nuværende arbejde med at opnå billedbehandling med ultrahøj opløsning.

"Ved yderligere at udnytte vigtige aspekter, der ligger til grund for de blinkende forhold i vores DNA-PAINT-baserede teknologier og udvikle en ny metode, der kompenserer for bittesmå, men ekstremt forstyrrende bevægelser af mikroskopstadiet, der bærer prøverne, det lykkedes os yderligere at øge potentialet ud over, hvad der hidtil har været muligt i superopløselig mikroskopi, "sagde Mingjie Dai, hvem er undersøgelsens første forfatter og en kandidatstuderende, der arbejder med Yin.

Ud over, undersøgelsen var medforfatter af Ralf Jungmann, Ph.d., en tidligere postdoktor på Yins team og nu gruppeleder ved Max Planck Institute of Biochemistry ved Ludwig Maximilian University i München, Tyskland.

Wyss Instituts forskere har benchmarket den ultrahøje opløsning af DMI ved hjælp af syntetiske DNA-nanostrukturer. Næste, forskerne planlægger at anvende teknologien på faktiske biologiske komplekser såsom proteinkomplekset, der duplikerer DNA i delende celler eller celleoverfladereceptorer, der binder deres ligander.

"Peng Yin og hans team har endnu engang brudt igennem barrierer, der aldrig før var muligt ved at udnytte kraften i programmerbart DNA, ikke til opbevaring af oplysninger, men opret nanoskala 'molekylære instrumenter', der udfører definerede opgaver og aflæser, hvad de analyserer. Denne nye fremgang til deres DNA-drevne superopløsningsbilledplatform er en fantastisk bedrift, der har potentiale til at afdække cellernes indre funktion på enkeltmolekylniveau ved hjælp af konventionelle mikroskoper, der er tilgængelige i almindelige biologilaboratorier, "sagde Donald Ingber, M.D., Ph.d., som er Judah Folkman -professor i vaskulær biologi ved Harvard Medical School og Vaskulærbiologiprogrammet på Boston Children's Hospital, og også professor i bioingeniør ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.