High-fidelity optagelse af molekylær geometri med DNA nanoskopi

Forskere udvider konstant deres arsenal af metoder til at tyde den rumlige organisering af biologiske strukturer. Ved hjælp af mikroskoper, de kan nu visualisere individuelle makromolekylære komponenter i DNA, protein, eller andre komplekser. Imidlertid, denne opløsning kræver typisk sofistikeret udstyr, der anvendes på specialbearbejdede prøver, og det er svært at se mange typer molekyler samtidigt, især ved høj tæthed og gennemløb, eller dynamiske interaktioner.

Omgå behovet for dyre mikroskoper, nogle nyere biokemiske tilgange knytter stregkodede DNA-prober til molekylære mål og smelter derefter dem i nærliggende par sammen, ofte ved DNA-ligering. Disse DNA "optegnelser" læses senere op til analyse. Fordi disse metoder ødelægger DNA-proberne i færd med at parre, imidlertid, informationen erhvervet fra hvert molekylært mål kan ikke omfatte mere end én interaktion, hverken flere på én gang eller én, der ændrer sig over tid. Sådanne metoder kan i høj grad begrænse kvaliteten af ​​enhver efterfølgende beregningsrekonstruktion, og gør rekonstruktion af individuelle komplekser umulig.

For at overvinde disse begrænsninger, et team på Harvard's Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering ledet af Core Faculty-medlem Peng Yin, Ph.D., har nu udviklet en DNA-nanoteknologi-baseret metode, der giver mulighed for gentagne, ikke-destruktiv optagelse af unikt stregkodede molekylære parringer, giver et detaljeret billede af deres komponenter og geometrier. I fremtiden, tilgangen kunne hjælpe forskere med at forstå, hvordan ændringer i molekylære komplekser styrer biologiske processer i levende celler. Undersøgelsen er publiceret i Naturkommunikation .

"Vores metode, som vi kalder "Auto-cycling Proximity Recording" (APR), fungerer i det væsentlige som en kontinuerlig biokemisk registrering af de molekylære strukturer, " sagde Yin, som også er professor i systembiologi ved Harvard Medical School. "ÅOP giver os mulighed for at se på mange nærområder samtidigt og gentagne gange, og med minimal strukturforstyrrelse. Ved at vurdere det fulde komplement af alle sådanne par i mange cyklusser, vi kan skabe et detaljeret billede af en molekylær struktur og endda observere forskellige strukturelle tilstande af de samme mål."

Som bevis på princippet, holdet designet flere DNA-sonder i silico, og syntetiserede og fastgjorde dem til molekylære mål indeholdt i de foreskrevne geometrier af DNA origami nanostrukturer. Gennem denne nyudviklede, DNA-styret biokemisk mekanisme, en registrering i form af en stregkodet DNA-streng syntetiseres på strukturen, hvis og kun hvis to af disse DNA-prober er tæt nok på hinanden ("proximity recording"). Plader udgives efterhånden som de syntetiseres, og senere indsamlet til sekvensanalyse.

I modsætning til andre biokemiske metoder, hvert enkelt APR-mål kan give over 30 DNA-registreringer ("auto-cykling"), muliggør robust dataindsamling. Efter at have indsamlet alle DNA-registre, holdet kompilerede deres sekvenser og rekonstruerede med succes geometrien af ​​de syntetiske nanostrukturer. Dermed, tilgangen fungerer som et 'DNA nanoskop', som bruger specifikt konstrueret DNA-biokemi til at visualisere målpar i et molekylært objekt. Udvider disse nye muligheder, Wyss-forskerne var endda i stand til at dokumentere ændringer i tilstanden af ​​individuelle nanostrukturer, øger muligheden for, at tilgangen kunne bruges til at korrelere strukturelle overgange i molekylære komplekser med deres biologiske funktioner.

"Ved at bruge antistoffer og andre udbredte midler til at dirigere DNA-prober til molekylære mål, vi kunne anvende APR-teknologi til at afkode komponenterne og geometrierne af biologiske komplekser, sagde Thomas Schaus, M.D., Ph.D., en Wyss Institute Staff Scientist, der som undersøgelsens første forfatter sammen med Yin udviklede APR. "Det faktum, at individuelle DNA-registre bærer unikke, sekvenserbare stregkoder, og at metoden er skalerbar, kan gøre os i stand til en dag at følge, individuelt, tusinder eller millioner af makromolekyler i en biokemisk vej."

"Udviklingen af ​​APR som et nanoteknologisk middel til at dechifrere molekylære strukturer uden behov for omfattende og dyre mikroskoper illustrerer virkelig, hvordan Wyss Institutes nyligt lancerede Molecular Robotics-initiativ kan påvirke strukturel biologisk forskning og udvikling i mange laboratorier, " sagde Wyss Institutes stiftende direktør Donald Ingber, M.D., Ph.D., som også er Judah Folkman-professor i vaskulær biologi ved HMS og Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, samt professor i bioingeniør ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.