Biomedicinska forskare förstår molekylernas funktioner i kroppens celler i allt större detalj genom att öka upplösningen av deras mikroskop. Dock, det som ligger efter är deras förmåga att samtidigt visualisera de många olika molekylerna som förmedlar komplexa molekylära processer i ett enda ögonblicksbild.

Nu, ett team från Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, LMU München, och Max Planck Institute of Biochemistry i Tyskland, har konstruerat mycket mångsidiga metafluoroforer genom att integrera vanliga små fluorescerande sonder i självfällande DNA-strukturer där deras färger och ljusstyrka kan programmeras digitalt. Detta nanotekniska tillvägagångssätt erbjuder en palett med 124 virtuella färger för mikroskopisk avbildning eller andra analysmetoder som kan anpassas i framtiden för att visualisera flera molekylära spelare samtidigt med ultrahög definition. Metoden redovisas i Vetenskapliga framsteg .

Med sin nya metod, forskarna tar upp problemet att hittills endast ett begränsat antal molekylära arter kan visualiseras samtidigt med fluorescensmikroskopi i ett biologiskt eller kliniskt prov. Genom att införa fluorescerande DNA-nanostrukturer som kallas metafluoroforer-mångsidiga fluorescerande färgämnen vars färger bestäms av hur deras enskilda komponenter är ordnade i tredimensionella strukturer-övervinner de denna flaskhals.

"Vi använder DNA -nanostrukturer som molekylära pegbrädor:genom att funktionalisera specifika komponentsträngar vid definierade positioner av DNA -nanostrukturen med en av tre olika fluorescerande färgämnen, vi uppnår ett brett spektrum av upp till 124 fluorescerande signaler med unika färgkompositioner och intensiteter, "sa Yin, som är en ledande fakultetsmedlem vid Wyss Institute och professor i systembiologi vid Harvard Medical School. "Vår studie ger ett ramverk som gör det möjligt för forskare att konstruera en stor samling metafluoroforer med digitalt programmerbara optiska egenskaper som de kan använda för att visualisera flera mål i de prover de är intresserade av."

Den DNA-nanostrukturbaserade metoden kan användas som ett streckkodningssystem för att visuellt profilera närvaron av många specifika DNA- eller RNA-sekvenser i prover i det som kallas multiplexering.

För att möjliggöra visualisering av flera molekylära strukturer i vävnadsprover vars tjocklek kan begränsa rörelsen av större DNA -nanostrukturer och göra det svårt för dem att hitta sina mål, och för att minska möjligheten att de ansluter sig till icke-specifika mål som producerar falska fluorescenssignaler, laget tog ytterligare tekniska steg.

"Vi utvecklade en utlöst version av vår metafluorofor som dynamiskt självmonteras från små komponentsträngar som bara får sin föreskrivna form när de binder sitt mål, "sa Ralf Jungmann, Ph.D., som är fakultet vid LMU München och Max Planck Institute of Biochemistry och ledde studien tillsammans med Yin. "Dessa på plats sammansatta metafluoroforer kan inte bara införas i komplexa prover med liknande kombinatoriska möjligheter som de prefabricerade för att visualisera DNA, men de kan också utnyttjas för att märka antikroppar som allmänt använda detektionsreagenser för proteiner och andra biomolekyler. "

"Denna nya typ av programmerbara, mikroskopi-förstärkande DNA-nanoteknik avslöjar hur arbete i Wyss-institutets Molecular Robotics Initiative kan hitta på nya sätt att lösa långvariga problem inom biologi och medicin. Dessa metafluoroforer som kan programmeras till självmontering när de binder sitt mål, och som har definierat fluorescerande streckkodsavläsningar, representerar en ny form av nanoskalaenheter som kan hjälpa till att avslöja komplexa, flerkomponent, biologiska interaktioner som vi vet finns men inte har något sätt att studera idag, "sade Wyss grundande direktör Donald Ingber, M.D., Ph.D., som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid Harvard Medical School och Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, och professor i bioingenjör vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.