Belysning af DNA-baserede nanostrukturer

Biofysikere fra Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München har brugt en ny variant af superopløsningsmikroskopi til at visualisere alle strengene i en DNA-baseret nanostruktur for første gang. Metoden lover at optimere designet af sådanne strukturer til specifikke applikationer.

Udtrykket 'DNA origami' refererer til en metode til design og selvsamling af komplekse molekylære strukturer med nanometerpræcision. Teknikken udnytter baseparringsinteraktionerne mellem enkeltstrengede DNA-molekyler med kendt sekvens til at generere indviklede tredimensionelle nanostrukturer med foruddefinerede former i vilkårligt stort antal. Metoden har et stort potentiale for en bred vifte af anvendelser inden for grundlæggende biologisk og biofysisk forskning. Således bruger forskere allerede DNA-origami til at udvikle funktionelle nanomaskiner. I denne sammenhæng, evnen til at karakterisere kvaliteten af ​​montageprocessen er afgørende. Nu er et hold ledet af Ralf Jungmann, Professor i eksperimentel fysik ved LMU München og leder af laboratoriet for molekylær billeddannelse og bionanoteknologi ved Max Planck Institute for Biochemistry (Martinsried), beretter om et vigtigt fremskridt i denne henseende. I online-journalen Naturkommunikation , han og hans kolleger beskriver en metode til superopløsningsmikroskopi, der gør det muligt at visualisere alle strenge i disse nanostrukturer individuelt. Dette har givet dem mulighed for at konkludere, at monteringen foregår på en robust måde under en lang række forhold, men at sandsynligheden for, at en given streng vil blive effektivt inkorporeret, afhænger af den præcise position af dens målsekvens i den voksende struktur.

DNA-origami-strukturer er i det væsentlige samlet ved at lade ét langt enkeltstrenget DNA-molekyle ('stilladset'-strengen) interagere i en kontrolleret, foruddefineret måde med et sæt kortere 'hæfte' tråde. Sidstnævnte binder sig til specifikke ('komplementære') strækninger af stilladsstrengen, fold den gradvist til den ønskede form. "I vores tilfælde, DNA-strengene samler sig selv til en flad rektangulær struktur, som fungerer som den grundlæggende byggesten for mange DNA-origami-baserede undersøgelser i øjeblikket, " siger Maximilian Strauss, fælles førsteforfatter til det nye papir, sammen med Florian Schüder og Daniel Haas. Ved hjælp af en superopløsningsteknik kaldet DNA-PAINT, forskerne er i stand til at visualisere nanostrukturer med hidtil uset rumlig opløsning, giver dem mulighed for at afbilde hver af strengene i nanostrukturerne. "Så vi kan nu direkte visualisere alle komponenter i origami-strukturen og bestemme, hvor godt den sætter sig sammen, siger Strauss.

Som navnet antyder, DNA-PAINT-teknikken i sig selv gør også brug af specificiteten af ​​DNA-DNA-interaktioner. Her, korte 'imager'-strenge knyttet til farvestofmolekyler, der parrer sig med komplementære sekvenser, bruges til at identificere steder, der er tilgængelige for binding. Imager-strenge interagerer forbigående, men gentagne gange med deres målsteder, hvilket resulterer i et "blinkende" signal. "Ved at sammenligne oplysningerne i de individuelle fluorescensbilleder, vi er i stand til at opnå en højere opløsning, så vi kan inspicere hele strukturen i detaljer, ", siger Strauss. "Dette fænomen kan forstås som følger. Lad os sige, at vi ser på et hus med to oplyste vinduer. Set fra en vis afstand, det ser ud som om lyset kommer fra én kilde. Imidlertid, man kan let skelne mellem positionerne af de to vinduer, hvis lyset skiftevis tændes og slukkes." metoden gør det muligt for forskerne at bestemme positionerne af de bundne hæftestrenge præcist, og det specifikke blinkende signal udsendt af imager-strenge afslører steder, der er tilgængelige for binding.

Resultaterne opnået med DNA-PAINT-metoden afslørede, at variationer i flere fysiske parametre – såsom den overordnede hastighed af strukturdannelsen – har ringe indflydelse på den overordnede kvalitet af samlingsprocessen. Imidlertid, selvom dets effektivitet kan forbedres ved brug af yderligere hæftestrenge, ikke alle strenge blev fundet i alle de dannede nanopartikler, dvs. ikke alle tilgængelige steder var optaget i alle de endelige strukturer. "Ved samling af nanomaskiner er det derfor tilrådeligt, at de enkelte komponenter tilføjes i stort overskud, og placeringen af ​​modifikationerne vælges i overensstemmelse med vores kortlægning af inkorporeringseffektivitet, " siger Strauss.

DNA-PAINT-metoden giver således et middel til at optimere konstruktionen af ​​DNA-nanostrukturer. Ud over, forfatterne mener, at teknologien har et stort potentiale inden for kvantitativ strukturbiologi, da det vil give forskere mulighed for at måle vigtige parametre såsom mærkningseffektiviteten af ​​antistoffer, cellulære proteiner og nukleinsyrer direkte.