Forskare utökar ständigt sin arsenal av metoder för att dechiffrera den rumsliga organisationen av biologiska strukturer. Med hjälp av mikroskop, de kan nu visualisera enskilda makromolekylära komponenter i DNA, protein, eller andra komplex. Dock, denna upplösning kräver vanligtvis sofistikerad utrustning som appliceras på specialbehandlade prover, och det är svårt att titta på många typer av molekyler samtidigt, särskilt vid hög densitet och genomströmning, eller dynamiska interaktioner.

Att kringgå behovet av dyra mikroskop, några nyare biokemiska tillvägagångssätt fäster streckkodade DNA-sonder till molekylära mål och smälter sedan samman dem i närliggande par, ofta genom DNA-ligering. Dessa DNA-"poster" läses senare upp för analys. Eftersom dessa metoder förstör DNA-sonderna under parningsprocessen, dock, informationen som erhålls från varje molekylärt mål kan inte omfatta mer än en interaktion, varken flera på en gång eller en som förändras över tiden. Sådana metoder kan allvarligt begränsa kvaliteten på varje efterföljande beräkningsrekonstruktion, och göra rekonstruktion av enskilda komplex omöjlig.

För att övervinna dessa begränsningar, ett team vid Harvards Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering ledd av Core Faculty-medlemmen Peng Yin, Ph.D., har nu utvecklat en DNA-nanoteknikbaserad metod som möjliggör upprepade, oförstörande inspelning av unikt streckkodade molekylära parningar, ger en detaljerad bild av deras komponenter och geometrier. I framtiden, tillvägagångssättet kan hjälpa forskare att förstå hur förändringar i molekylära komplex styr biologiska processer i levande celler. Studien publiceras i Naturkommunikation .

"Vår metod, som vi kallar "Auto-cycling Proximity Recording" (APR), fungerar i huvudsak som en kontinuerlig biokemisk registrerare av de molekylära strukturerna, " sa Yin, som också är professor i systembiologi vid Harvard Medical School. "APR låter oss titta på många närheter samtidigt och upprepade gånger, och med minimal störning av strukturen. Genom att bedöma det fulla komplementet av alla sådana par i många cykler, vi kan skapa en detaljerad bild av en molekylär struktur och till och med observera olika strukturella tillstånd för samma mål."

Som bevis på principen, teamet designade flera DNA-sonder i silico, och syntetiserade och fäste dem till molekylära mål som finns i de föreskrivna geometrierna för DNA-origaminanostrukturer. Genom denna nykonstruerade, DNA-riktad biokemisk mekanism, en post i form av en streckkodad DNA -sträng syntetiseras på strukturen om och endast om två av dessa DNA -prober är tillräckligt nära varandra ("närhetsregistrering"). Skivor släpps när de syntetiseras, och senare samlas in för sekvensanalys.

Till skillnad från andra biokemiska metoder, varje individuellt APR-mål kan ge över 30 DNA-poster ("autocykling"), möjliggör robust datainsamling. Efter att ha samlat in alla DNA-register, teamet sammanställde sina sekvenser och rekonstruerade framgångsrikt geometrin hos de syntetiska nanostrukturerna. Således, tillvägagångssättet fungerar som ett "DNA-nanoskop", som använder specifikt konstruerad DNA-biokemi för att visualisera målpar i ett molekylärt objekt. Utvidga dessa nya funktioner, Wyss-forskarna kunde till och med dokumentera förändringar i enskilda nanostrukturers tillstånd, öka möjligheten att tillvägagångssättet kan användas för att korrelera strukturella övergångar i molekylära komplex med deras biologiska funktioner.

"Genom att använda antikroppar och andra allmänt använda medel för att rikta DNA-sonder till molekylära mål, vi skulle kunna använda APR-teknik för att avkoda komponenter och geometrier i biologiska komplex, sa Thomas Schaus, M.D., Ph.D., en Wyss Institute Staff Scientist som som studiens första författare tillsammans med Yin utvecklade APR. "Det faktum att enskilda DNA -poster har unika, sekvenserbara streckkoder och att metoden är skalbar kan göra det möjligt för oss att en dag följa, individuellt, tusentals eller miljoner makromolekyler i en biokemisk väg."

"Utvecklingen av APR som ett nanoteknologiskt sätt att dechiffrera molekylära strukturer utan behov av komplicerade och dyra mikroskop illustrerar verkligen hur Wyss Institutes nyligen lanserade Molecular Robotics-initiativ kan påverka strukturell biologisk forskning och utveckling i många laboratorier, " sa Wyss Institutes grundare Donald Ingber, M.D., Ph.D., som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid HMS och Vascular Biology Program vid Boston Children's Hospital, samt professor i bioteknik vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.