Proteiner fungerar oftast inte isolerat utan utgör snarare större komplex som molekylära maskiner som gör det möjligt för celler att kommunicera med varandra, flytta runt last i deras interiörer eller replikera deras DNA. Vår förmåga att observera och spåra varje enskilt protein i dessa maskiner är avgörande för vår ultimata förståelse av dessa processer. Än, tillkomsten av superupplösningsmikroskopi som har gjort det möjligt för forskare att börja visualisera nära placerade molekyler eller molekylära komplex med 10-20 nanometers upplösning är inte tillräckligt kraftfull för att särskilja individuella molekylära egenskaper inom dessa tätt packade komplex.

Ett team vid Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ledd av Core Faculty-medlemmen Peng Yin, Ph.D., har, för första gången, kunnat skilja särdrag på bara 5 nanometers avstånd från varandra i ett tätt packat, enkel molekylstruktur och för att uppnå den hittills högsta upplösningen inom optisk mikroskopi. Rapporterade den 4 juli i en studie i Naturens nanoteknik , teknologin, även kallad "diskret molekylär avbildning" (DMI), förbättrar teamets DNA-nanoteknikdrivna mikroskopiplattform med superupplösning med en integrerad uppsättning nya avbildningsmetoder.

Förra året, möjligheten att möjliggöra för forskare med billig superupplösningsmikroskopi med hjälp av DNA-PAINT-baserade teknologier ledde till att Wyss Institute lanserade sin spin-off Ultivue Inc.

"Den ultrahöga upplösningen av DMI för fram DNA-PAINT-plattformen ett steg längre mot visionen att tillhandahålla den ultimata synen på biologi. Med denna nya upplösningskraft och förmågan att fokusera på individuella molekylära egenskaper, DMI kompletterar nuvarande strukturbiologiska metoder som röntgenkristallografi och kryo-elektronmikroskopi. Det öppnar upp ett sätt för forskare att studera molekylära konformationer och heterogeniteter i enkla multikomponentkomplex, och ger en enkel, snabb och multiplexerad metod för strukturell analys av många prover parallellt", sa Peng Yin, som också är professor i systembiologi vid Harvard Medical School.

DNA-PAINT-teknologier, utvecklade av Yin och hans team är baserade på övergående bindning av två komplementära korta DNA-strängar, den ena är fäst vid det molekylära mål som forskarna syftar till att visualisera och den andra fäst vid ett fluorescerande färgämne. Upprepade cykler av bindning och avbindning skapar ett mycket definierat blinkbeteende hos färgämnet på målplatsen, som är mycket programmerbar genom valet av DNA-strängar och nu har utnyttjats ytterligare av teamets nuvarande arbete för att uppnå ultrahögupplöst bildbehandling.

"Genom att ytterligare utnyttja nyckelaspekter som ligger bakom de blinkande förhållandena i våra DNA-PAINT-baserade teknologier och utveckla en ny metod som kompenserar för små men extremt störande rörelser i mikroskopstadiet som bär proverna, vi lyckades ytterligare öka potentialen utöver vad som hittills varit möjligt inom superupplösningsmikroskopi, sa Mingjie Dai, som är studiens första författare och en doktorand som arbetar med Yin.

Dessutom, studien var medförfattare av Ralf Jungmann, Ph.D., en tidigare postdoktor i Yins team och nu gruppledare vid Max Planck Institute of Biochemistry vid Ludwig Maximilian University i München, Tyskland.

Wyss Institutes forskare har riktmärkt den ultrahöga upplösningen av DMI med hjälp av syntetiska DNA-nanostrukturer. Nästa, forskarna planerar att tillämpa tekniken på faktiska biologiska komplex som proteinkomplexet som duplicerar DNA i delande celler eller cellytreceptorer som binder deras ligander.

"Peng Yin och hans team har ännu en gång brutit igenom barriärer som aldrig tidigare varit möjliga genom att utnyttja kraften hos programmerbart DNA, inte för informationslagring, men skapa "molekylära instrument" i nanoskala som utför definierade uppgifter och läser av vad de analyserar. Den här nya utvecklingen av deras DNA-drivna avbildningsplattform med superupplösning är en fantastisk bedrift som har potential att avslöja cellernas inre funktion på en molekylnivå med hjälp av konventionella mikroskop som finns tillgängliga i vanliga biologiska laboratorier, sa Donald Ingber, M.D., Ph.D., som är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid Harvard Medical School och Vascular Biology Program vid Boston Children's Hospital, och även professor i bioteknik vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.