Biofysiker från Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München har använt en ny variant av superupplösningsmikroskopi för att visualisera alla strängarna i en DNA-baserad nanostruktur för första gången. Metoden lovar att optimera konstruktionen av sådana strukturer för specifika applikationer.

Termen 'DNA-origami' hänvisar till en metod för design och självmontering av komplexa molekylära strukturer med nanometerprecision. Tekniken utnyttjar basparande interaktioner mellan enkelsträngade DNA-molekyler med känd sekvens för att generera intrikata tredimensionella nanostrukturer med fördefinierade former i godtyckligt stort antal. Metoden har stor potential för ett brett spektrum av tillämpningar inom grundläggande biologisk och biofysisk forskning. Således använder forskare redan DNA-origami för att utveckla funktionella nanomaskiner. I detta sammanhang, förmågan att karakterisera kvaliteten på monteringsprocessen är avgörande. Nu ett team ledd av Ralf Jungmann, Professor i experimentell fysik vid LMU München och chef för Molecular Imaging and Bionanotechnology lab vid Max Planck Institute for Biochemistry (Martinsried), rapporterar ett viktigt framsteg i detta avseende. I nättidningen Naturkommunikation , han och hans kollegor beskriver ett sätt för superupplösningsmikroskopi som gör att alla strängar inom dessa nanostrukturer kan visualiseras individuellt. Detta har gjort det möjligt för dem att dra slutsatsen att monteringen sker på ett robust sätt under en lång rad förhållanden, men att sannolikheten för att en given sträng effektivt kommer att införlivas beror på den exakta positionen för dess målsekvens i den växande strukturen.

DNA-origami-strukturer sätts i huvudsak samman genom att låta en lång enkelsträngad DNA-molekyl ('ställningsställningen'-strängen) interagera i en kontrollerad, fördefinierat sätt med en uppsättning kortare "häftklammer". De senare binder till specifika ('komplementära') sträckor av ställningssträngen, vika den gradvis till önskad form. "I vårat fall, DNA-strängarna självmonteras till en platt rektangulär struktur, som fungerar som den grundläggande byggstenen för många DNA-origami-baserade studier för närvarande, säger Maximilian Strauss, gemensam första författare till det nya papperet, tillsammans med Florian Schüder och Daniel Haas. Med hjälp av en superupplösningsteknik som kallas DNA-PAINT, forskarna kan visualisera nanostrukturer med en aldrig tidigare skådad rumslig upplösning, så att de kan avbilda var och en av strängarna i nanostrukturerna. "Så vi kan nu direkt visualisera alla komponenter i origamistrukturen och bestämma hur väl den sätter ihop sig, säger Strauss.

Som namnet antyder, själva DNA-PAINT-tekniken använder sig också av specificiteten hos DNA-DNA-interaktioner. Här, korta 'imager' -trådar kopplade till färgmolekyler som kopplas ihop med komplementära sekvenser används för att identifiera platser som är tillgängliga för bindning. Imager-strängar interagerar tillfälligt men repetitivt med sina målplatser, vilket resulterar i en "blinkande" signal. "Genom att jämföra informationen i de individuella fluorescensbilderna, vi kan uppnå en högre upplösning, så att vi kan inspektera hela strukturen i detalj, ", säger Strauss. "Detta fenomen kan förstås på följande sätt. Låt oss säga att vi tittar på ett hus med två upplysta fönster. Sett från ett visst avstånd, det verkar som om ljuset kommer från en källa. Dock, man kan lätt skilja mellan de två fönstrenas positioner om lamporna växelvis slås på och av. " metoden gör det möjligt för forskarna att bestämma positionerna för de bundna häftklammersträngarna exakt, och den specifika blinkande signalen som emitteras av avbildarsträngar avslöjar platser som är tillgängliga för bindning.

Resultaten som erhölls med DNA-PAINT-metoden avslöjade att variationer i flera fysikaliska parametrar – såsom den totala hastigheten för strukturbildning – har liten inverkan på den övergripande kvaliteten på monteringsprocessen. Dock, även om dess effektivitet kan förbättras genom användning av ytterligare häftklammer, inte alla strängar hittades i alla bildade nanopartiklar, d.v.s. inte alla tillgängliga platser var upptagna i alla de slutliga strukturerna. "Vid montering av nanomaskiner är det därför tillrådligt att de enskilda komponenterna läggs till i stort överskott och positionerna för modifieringarna väljs i enlighet med vår kartläggning av inkorporeringseffektivitet, " säger Strauss.

DNA-PAINT-metoden ger alltså ett sätt att optimera konstruktionen av DNA-nanostrukturer. Dessutom, författarna tror att tekniken har stor potential inom området kvantitativ strukturbiologi, eftersom det kommer att göra det möjligt för forskare att mäta viktiga parametrar som märkningseffektiviteten hos antikroppar, cellulära proteiner och nukleinsyror direkt.