Ett team vid Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard University har tilldelats ett särskilt anslag på 3,5 miljoner dollar från National Institutes of Health (NIH) för att utveckla en billig och lättanvänd ny mikroskopimetod för att samtidigt upptäcka många små komponenter av celler.

Bidraget, kallas ett Transformative Research Award, är en del av ett NIH-initiativ för att finansiera högrisk, forskning med hög belöning, och 2013 finansierade myndigheten bara 10 av dessa projekt nationellt.

Den DNA-baserade mikroskopimetoden skulle potentiellt kunna leda till nya sätt att diagnostisera sjukdom genom att särskilja friska och sjuka celler baserat på sofistikerade molekylära detaljer. Det kan också hjälpa forskare att avslöja hur cellens komponenter utför sitt arbete inuti cellen.

"Om du vill studera fysiologi och sjukdom, du vill se hur molekylerna fungerar, och det är viktigt att se dem i deras inhemska miljöer, sa Peng Yin, Ph.D., en kärnfakultetsmedlem vid Wyss Institute och biträdande professor i systembiologi vid Harvard Medical School. Yin kommer att leda projektet, och han kommer att samarbeta med Samie Jaffrey, M.D., Ph.D., professor i farmakologi vid Weill Cornell Medical College, och Ralf Jungmann, Ph.D., en postdoktor i Yins Wyss Institute-labb, bland andra.

Biologer har använt mikroskop för att avslöja hur små strukturer inuti celler stöder dem och hjälper dem att röra sig, reproducera, aktivera gener, och mycket mer. Men även om mikroskoptillverkare har finslipat tekniken i århundraden för att få allt tydligare bilder, de har begränsats av fysikens lagar. När två föremål är närmare än cirka 0,2 mikrometer, eller ungefär en femhundradels bredd av ett människohår, forskarna kan inte längre skilja dem åt med traditionella ljusmikroskop. Som ett resultat, betraktaren ser en suddig klump där det i verkligheten finns två objekt. Detta beror på hur ljusstrålar böjer sig runt föremål, och är känd som diffraktionsgränsen.

Molekyler som enzymer, receptorer, RNA och DNA som gör det mesta av cellens arbete är vanligtvis mycket mindre än 0,2 mikrometer, och att visualisera dem, mikroskopister har kämpat för att övervinna diffraktionsgränsen. De har utvecklat flera smarta metoder som gör detta, men vissa av dem kräver speciella mikroskop som brukar vara mycket dyra, och andra kräver besvärliga procedurer. Vad mer, dagens metoder kan bara avslöja en handfull distinkta molekylarter åt gången, och bilderna förblir suddigare än vad många forskare skulle vilja.

Det Wyss Institute-ledda teamet planerar att övervinna dessa utmaningar genom att kombinera enmolekylära avbildningsmetoder med molekylära verktyg från DNA-nanoteknik. Med hjälp av en avbildningsmetod som kallas DNA-PAINT, de skapade så kallade "imager-strängar" genom att märka små bitar av DNA med ett fluorescerande färgämne. Var och en av dessa avbildningssträngar binder övergående till en matchande DNA-sträng som är fäst vid en målmolekyl, vilket gör att målet ser ut att blinka. Sånt blinkande, när det görs rätt, gör det möjligt för forskare att slå diffraktionsgränsen och få skarpare bilder av målen än vad som annars är möjligt.

"Det kraftfulla med att använda DNA ligger i dess fantastiska programmerbarhet, ", sade Yin. "Vi planerar att använda den förmågan att göra molekyler i celler blinka på ett programmerbart och autonomt sätt. Detta kommer att tillåta oss att se saker som tidigare var osynliga."

Yins team är specialiserat på att använda DNA för att göra programmerbara syntetiska nanostrukturer. Två veckor sedan, National Science Foundation tilldelade teamet och deras kollegor en prestigefylld Expedition in Computing Award för att konstruera syntetiska DNA-system med programmerbart molekylärt beteende och funktioner. NIH Transformative Research Award kommer att tillåta dem att använda DNA för att programmera blinkande ljus för att producera ultraskarpa molekylära och cellulära bilder för biomedicinsk forskning.

"Tills vi kan visualisera många molekylära komponenter i celler tydligt och samtidigt, vi kan bara göra välgrundade gissningar om hur de går ihop för att utföra sina komplexa biologiska funktioner, " sa Wyss Institutes grundare Don Ingber, M.D., Ph.D. "Jag är övertygad om att Pengs nya billiga tillvägagångssätt för superupplösningsmikroskopi kommer att förändra landskapet för biomedicinsk forskning, och leda till ny diagnostik som upptäcker sjukdom tidigare och med större noggrannhet."