Brug af DNA-baseret nanoteknologi til at visualisere nanoskala biologiske strukturer

Samtaler med fysikeren Ralf Jungmann kræver stor koncentration. Han tager en i et sydende tempo gennem en verden, der er ufatteligt minut, en verden, som ifølge lovene i optik, er ikke direkte tilgængelig for selv de bedste lysmikroskoper. Det er også mikrokosmos, hvor biologiske processer er hjemme. Dens borgere er metabolitterne og makromolekylerne, hvis interaktioner bestemmer forløbet og grænserne for vores liv - og vi ved stadig meget lidt om det.

Men Ralf Jungmanns ambition er at bringe enhver molekylær maskine i cellen inden for lysmikroskopi, en opgave, der uundgåeligt fører ham til grænserne for det fysisk gennemførlige. Sammen med sit team på 11 medlemmer, Jungmann, der netop er blevet udnævnt til et professorat på LMU, udvikler et såkaldt superopløselig mikroskop til biomedicinske applikationer, som er designet til at forestille cellulære strukturer ved hjælp af DNA-baserede mærkningsteknikker. Projektet har modtaget støtte fra meget selektive tilskudsprogrammer, der drives af Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) og European Research Council (ERC).

Superopløsnings-mikroskopi er blevet ganske overfyldt i de seneste år, og der er opnået meget, som virkede umuligt for ikke så længe siden. Jungmann (35) ruller fra akronymerne for de nye teknikker, der er opstået, fra STED, STORM og PALM mikroskopi til det fascinerende Lattice Light Sheet mikroskop, som scanner celler systematisk niveau for niveau. Mens lytteren undrer sig over, hvordan disse forskellige tilgange er forskellige, Jungmann bemærker med et grin:"I princippet de ligner alle meget hinanden. "I øjeblikke som dette, man indser, at denne udleverede fortrolighed er et produkt af hårdt arbejde og hårdt tænkning-i betragtning af at man har at gøre med metoder, der ligger på kanten af ​​den nuværende teknologi. For mindre end 2 år siden, i 2014, fysiker Stefan Hell i Göttingen delte Nobelprisen i kemi med amerikanerne Eric Betzig og William E. Moerner. Alle tre havde fundet måder at omgå den klassiske diffraktionsgrænse og forbedre opløsningsniveauet for optisk mikroskopi med op til 10 gange. Siden da, de har forlænget grænsen endnu mere, ind i nanometerområdet.

Kunsten at skabe mønstre

"Mit mål er at øge opløsningen af ​​fluorescensmikroskopi ved at kombinere det med værktøjer fra DNA -nanoteknologiens verden, såsom DNA origami, at forberede meget specifikke fluorescerende sonder, "Forklarer Jungmann. På den måde kan man kan nå et opløsningsniveau, som gør det muligt for en at visualisere strukturer på molekylært niveau. 'DNA origami' er et andet udtryk, der bliver ved med at dukke op i nanovidenskaben. I analogi med det japanske ord låner det, det refererer til kunsten at skabe mønstre og tredimensionelle strukturer-ikke fra et ark papir, men et sæt DNA-tråde.

For at forstå komplekse biologiske systemer, man skal være i stand til at udforske nanoworld. Imidlertid, konventionelle lysmikroskoper kan ikke trænge ind i dette område, fordi loven om optisk diffraktion begrænser opløsning til strukturer med dimensioner på omkring 200 nanometer (nm). Dette udelukker subcellulær lokalisering af de proteiner, der tilvejebringer katalysatorerne, receptorer og strukturelle stilladser, der er afgørende for cellefunktion, da mange proteiner kun er et par nm på tværs. "Jeg vil udvikle teknologier, der hjælper os med at løse biologiske problemer, "Jungmann siger." Mit mål er at visualisere hundredvis af den højest mulige opløsning - nej, tusinder - af komponenterne i celler, om proteiner, gener eller RNA -molekyler. Og jeg vil gøre teknikken så enkel, at et normalt laboratorium overalt i verden kan bruge den. "

Det er høje mål, men Jungmann har gjort betydelige fremskridt i retning af at realisere dem. Som studerende og post-doc, han modtog flere priser og stipendier, fra den tyske akademiske udvekslingstjeneste og Humboldt Foundation. Han udviklede en interesse for nanoworld, mens han skrev sit speciale (om effekterne af belastning på den fine struktur af menneskelig knogle) ved University of California i Santa Barbara, da han stødte på et papir af den amerikanske forsker Paul Rothemund. Undersøgelsen beskrev, hvordan DNA-tråde med definerede sekvenser kunne bruges til selvsamling til mønstre og figurer i nanometerstørrelse, herunder den ikoniske smiley. "Jeg fandt det helt fascinerende." Jungmann vendte tilbage til Tyskland og sluttede sig til DNA Nanotechnology Laboratory ledet af Friedrich Simmel, Professor i bioelektronik ved det tekniske universitet i München (TUM). "Vi var banebrydende inden for teknikken med DNA origami i Tyskland, "siger han. Jungmann indså hurtigt, at værktøjer fra origami -verdenen kunne bruges til mikroskopi. Med sin nyerhvervede ekspertise, han vendte tilbage til USA for at slutte sig til Harvard.

Molekylære brødbrætter

DNA origami tilvejebringer en metode til opbygning af nanostrukturer, der kan fungere som dockingstationer - snarere som hullerne i et elektronisk brødbræt - til molekyler såsom fluorescerende midler, der visualiseres ved mikroskopi. Jungmann fokuserer nu på udviklingen af ​​nye fluorescerende mærker, hvis emissionskarakteristika kan kontrolleres stramt og differentieres - alt sammen for at øge den optiske opløsning. "Beslutningen om at vende tilbage til München og specifikt til LMU var let, "siger han." Universiteter og Max Planck Institutes (MPI'er) tilbyder ideelle betingelser for forskning. "Hans CV lyder som en model for omhyggelig planlægning, og det fortæller en succeshistorie. Han er medstifter af et firma i USA, og besidder et dusin patenter-en imponerende rekord for en 35-årig. "Det ligner almindelig sejlads i bakspejlet, men i virkeligheden var meget afhængigt af tilfældige møder og beslutninger baseret på instinkt. "Men så, følge ens instinkter i at vælge laboratorier, hvor man kan lære noget nyt, og at genkende tendenser, der lover at blive "raketvidenskab" eller blot tilbyde et stimulerende miljø for teamwork, er i sig selv en slags plan.

Jungmann leder i øjeblikket en Emmy Noether Junior Research Group i det fysiske fakultet på LMU, og MPI for biokemi i Martinsried. Han vandt for nylig et af de yderst begavede Starttilskud uddelt af ERC, og et tilskud på en million euro fra Max Planck Foundation. Et besøg i hans laboratorium på MPI tyder på, at disse penge bliver brugt godt. Her finder man lysmikroskopet med den højeste opløsning - 5 nm - der i øjeblikket kan opnås overalt i verden. Det er dybest set et klassisk fluorescensmikroskop, men med innovative ændringer designet og bygget af Jungmanns gruppe. Laser, spejle, mål og kameraer kommer fra kommercielle kilder, men hans kolleger er ansvarlige for instrumentets overordnede opfattelse. Dette er en af ​​grundene til, at tværfagligt samarbejde i godt integrerede teams er så vigtigt. "Vi kan bevæge os hurtigere, fordi kommunikation er enklere og koordination lettere - og vi laver færre fejl, fordi vi har eksperter til alle detaljer, "Jungmann forklarer. Faktorer som disse hjælper med at forklare, hvordan man kan gøre så hurtige fremskridt:Ideer udveksles frit og kan hurtigt vurderes og implementeres. Jungmann tilhører en ny generation af forskere i Tyskland, der har lært at arbejde som medlemmer af netværk Disse transparente og kooperative strukturer har erstattet de hierarkisk organiserede og indadrettede systemer fra tidligere dage.

Jungmann lærte, hvor produktiv denne tilgang kan være, da han sluttede sig til laboratoriet ledet af William Shih og Peng Yin ved Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard Medical School i Boston. Instituttet beskæftiger specialister inden for alle relevante discipliner, fra mekaniske ingeniører til biologer og dataloger. Og det er den model, han selv sætter for sine doktorgrads- og kandidatstuderende. For eksempel, han brugte 30, 000 euro på en enklere version af hans rekordstore mikroskop udelukkende til deres brug-designet af en af ​​hans ph.d.-studerende. "Det kommer ned til 20 nm, "siger han." Ikke dårligt for et gør-det-selv-job. "

Efter at have gennemgået Harvard -møllen

Tre af hans doktorander tog deres kandidatuddannelse under hans vejledning, da han stadig var på Harvard. Det udvider deres netværk af internationale kontakter, "og med succes at have gennemgået Harvard -møllen er en anbefaling i sig selv, "tilføjer han. Disse kandidatstuderende udgør nu den erfarne kerne i hans team, noget selv den bedste gruppeleder ikke kan undvære. Det betyder også, at idéer til projekter aldrig er mangelvare. Jungmann har store forhåbninger til sine DNA -stregkoder, som kan målrettes mod en overflod af specifikke proteiner og RNA -sekvenser, tjener som entydige markører for hver. Disse markører er udstyret med fotoswitchbare farvestoffer, der, afhængigt af deres præcise struktur, blinke til og fra i kortere eller længere perioder, og med indstillelige intensiteter. "Vores metode er enklere end alle andre former for superopløselig mikroskopi, "Jungmann hævder - og han tænker her ikke kun på billeddannelse af individuelle celler, men også cellekollektiver i væv. Faktisk, det er muligt at observere og analysere hundredvis af celler ad gangen ved hjælp af korte, farvestoffemærkede DNA-tråde som meget specifikke fyrtårne.

De midler, der stilles til rådighed af Emmy Noether -programmet og ERC Starting Grant, tilsammen til en værdi af cirka 3,5 millioner euro, give ham mulighed for at forfølge sin drøm i de næste mange år. Ud over, LMU tilbyder nu ERC Starting Grantees professorater i fast ejerskab (W2), og Jungmann er blandt de første til at tjene på ordningen. Den 1. august blev han professor i molekylær billeddannelse og bionanoteknologi. ”Det giver mig en vis sikkerhed, selvom det ikke garanterer, at jeg senere får en akademisk stol, "siger han. Hans arbejde vil blive gennemgået om 5 år." Og det er naturligvis et yderligere incitament for mig, "tilføjer han - med et grin.