Ralf Jungmann är intresserad av processer som äger rum inom otroligt små rumsliga dimensioner. Jungmann har en professur i experimentell fysik vid Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München, och leder en forskargrupp inom molekylär avbildning och bionanoteknologi vid Max Planck Institute for Biochemistry (Martinsried), och fokuserar på att utöka kapaciteten för optisk mikroskopi. Hans mål är att visualisera de molekylära interaktioner som äger rum inom enskilda celler. För att övervaka proteinnätverken som är involverade i sådana processer, han använder korta DNA-strängar kovalent fästa till olika fluorescensmarkörer som prober för att lokalisera målproteiner som bär komplementära DNA-taggar. Genom att utnyttja sekvensspecificiteten och mångsidigheten hos DNA-hybridisering, det är möjligt att avbilda fördelningarna av ett stort antal molekyler i enstaka celler i superupplösning. Kombinationen av DNA-sekvenser med olika fluorescerande föreningar förklarar varför tekniken bär namnet DNA-PAINT.

En av de stora begränsningarna för potentialen för superupplösningsfluorescensmikroskopi har att göra med de markörer som används för att upptäcka mål av biologiskt intresse - de är helt enkelt för stora. "Vi arbetar med en instrumentell upplösning på mindre än 10 nanometer. Men de fluorescerande etiketter som konventionellt används för att märka proteiner är mycket större än så. Och denna faktor har hämmat framstegen inom hela detta forskningsfält, " förklarar Jungmann. Detta är vad som motiverade arbetet som beskrivs i en ny studie, som står i journalen Naturmetoder . I det här pappret, Jungmann och hans kollegor utforskar användningen av vad som kallas SOMAmers, en speciell klass av DNA-aptamerer, som ett sätt att minska de markörer som används i DNA-PAINT. Termen "aptamer" myntades ursprungligen för att hänvisa till enkelsträngade RNA-molekyler som viker sig till definierade tredimensionella former och kan specifikt detektera unika proteinarter. Jungmanns aptamerer är enkelsträngade DNA-molekyler, som viker sig till definierade tredimensionella former som kan binda direkt till specifikt riktade proteiner.

"Den idealiska etiketten som används för att märka proteiner effektivt och specifikt måste uppfylla flera kriterier, säger Sebastian Strauss, en medlem av Jungmanns grupp och första författare till den nya studien. "Det ska vara så litet som möjligt, och det bör binda till mål stökiometriskt för att möjliggöra exakt kvantifiering. Dessutom, det skulle vara idealiskt att syntetisera hela bibliotek av dessa föreningar och snabbt identifiera lämpliga markörer för proteinerna av intresse. För att bedöma potentialen hos DNA-aptamerer, LMU-teamet samarbetade med det amerikanska företaget SomaLogic, som redan hade designat, för andra ändamål, ett enormt utbud av modifierade aptamerer (SOMAmerer) som specifikt kan binda tusentals olika proteiner. I den nya studien, forskarna i München modifierade ett urval av dessa aptamerer för DNA-PAINT och utvecklade effektiva märkningsprotokoll för fixerade celler och livceller. Den aktuella studien visar att det verkligen är möjligt att förbättra upplösningen som kan uppnås med konventionella fluorescensetiketter genom att använda dessa nya märkningsreagens i kombination med DNA-PAINT superupplösningsmikroskopi.

"Vi förväntar oss att den nya metoden kommer att ge ett betydande lyft för superupplösningsmikroskopi, särskilt med avseende på dess användningsområde inom biologi, " säger Ralf Jungmann. Hans mål är att använda DNA-PAINT för att samtidigt visualisera och övervaka så många proteiner och deras interaktioner som möjligt. I framtida experiment planerar han och hans kollegor att använda den nya märkningsmetoden för att avbilda hela proteinnätverk i hög upplösning. "Vi kommer att kunna ta itu med biologiska och biomedicinska frågor som hittills varit experimentellt otillgängliga."