L'immagine mostra come la tecnologia Discrete Molecular Imaging (DMI) visualizza bersagli individuali densamente impacchettati a soli 5 nanometri di distanza l'uno dall'altro nelle strutture di origami di DNA (vedi schemi a sinistra). L'immagine in alto a destra mostra un'immagine a super risoluzione generata da DMI di uno schema chiaro di singoli segnali. Nell'immagine in basso a destra, tre diverse specie bersaglio all'interno della stessa struttura di origami sono state visualizzate utilizzando il metodo DMI potenziato da Exchange-PAINT. Credito:Wyss Institute presso l'Università di Harvard
Le proteine per lo più non funzionano in isolamento ma piuttosto costituiscono complessi più grandi come le macchine molecolari che consentono alle cellule di comunicare tra loro, spostare il carico nei loro interni o replicare il loro DNA. La nostra capacità di osservare e tracciare ogni singola proteina all'interno di queste macchine è fondamentale per la nostra comprensione definitiva di questi processi. Ancora, l'avvento della microscopia a super risoluzione che ha permesso ai ricercatori di iniziare a visualizzare molecole o complessi molecolari posizionati da vicino con una risoluzione di 10-20 nanometri non è abbastanza potente per distinguere le singole caratteristiche molecolari all'interno di quei complessi densamente imballati.
Un team del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard guidato dal membro della Core Faculty Peng Yin, dottorato di ricerca, ha, per la prima volta, stato in grado di distinguere le caratteristiche distanti solo 5 nanometri l'una dall'altra in un fitto, struttura molecolare singola e per ottenere la risoluzione finora più alta in microscopia ottica. Segnalato il 4 luglio in uno studio in Nanotecnologia della natura , la tecnologia, chiamato anche "imaging molecolare discreto" (DMI), migliora la piattaforma di microscopia a super risoluzione basata sulla nanotecnologia del DNA del team con un set integrato di nuovi metodi di imaging.
L'anno scorso, l'opportunità di offrire ai ricercatori una microscopia a super-risoluzione economica utilizzando tecnologie basate su DNA-PAINT ha portato il Wyss Institute a lanciare il suo spin-off Ultivue Inc.
"L'altissima risoluzione di DMI fa avanzare la piattaforma DNA-PAINT un passo avanti verso la visione di fornire la visione definitiva della biologia. Con questo nuovo potere di risoluzione e la capacità di concentrarsi sulle singole caratteristiche molecolari, DMI integra gli attuali metodi di biologia strutturale come la cristallografia a raggi X e la microscopia crioelettronica. Apre ai ricercatori la possibilità di studiare conformazioni molecolari ed eterogeneità in singoli complessi multicomponente, e fornisce un facile, metodo veloce e multiplexato per l'analisi strutturale di molti campioni in parallelo" ha affermato Peng Yin, che è anche professore di biologia dei sistemi alla Harvard Medical School.
Tecnologie DNA-PAINT, sviluppati da Yin e dal suo team si basano sul legame transitorio di due brevi filamenti di DNA complementari, uno è attaccato al bersaglio molecolare che i ricercatori mirano a visualizzare e l'altro è attaccato a un colorante fluorescente. Cicli ripetuti di legame e separazione creano un comportamento di lampeggio molto definito del colorante nel sito bersaglio, che è altamente programmabile dalla scelta dei filamenti di DNA ed è stato ora ulteriormente sfruttato dal lavoro attuale del team per ottenere immagini ad altissima risoluzione.
"Sfruttando ulteriormente gli aspetti chiave alla base delle condizioni di lampeggiamento nelle nostre tecnologie basate su DNA-PAINT e sviluppando un nuovo metodo che compensa i movimenti minuscoli ma estremamente dirompenti dello stadio del microscopio che trasporta i campioni, siamo riusciti ad aumentare ulteriormente il potenziale oltre ciò che è stato possibile finora nella microscopia a super risoluzione, " disse Mingjie Dai, chi è il primo autore dello studio e uno studente laureato che lavora con Yin.
Inoltre, lo studio è stato co-autore di Ralf Jungmann, dottorato di ricerca, un ex borsista post-dottorato nel team di Yin e ora capogruppo presso l'Istituto di biochimica Max Planck presso l'Università Ludwig Maximilian di Monaco, Germania.
Gli scienziati del Wyss Institute hanno valutato l'altissima risoluzione del DMI utilizzando nanostrutture di DNA sintetiche. Prossimo, i ricercatori intendono applicare la tecnologia a complessi biologici reali come il complesso proteico che duplica il DNA nelle cellule in divisione oi recettori della superficie cellulare che legano i loro ligandi.
In questa immagine il "Wyss!" nome è stato visualizzato in un display origami di DNA con la più alta risoluzione possibile finora nell'imaging ottico utilizzando la tecnologia Discrete Molecular Imaging (DMI). Credito:Wyss Institute presso l'Università di Harvard
"Peng Yin e il suo team hanno ancora una volta sfondato barriere mai possibili prima, sfruttando la potenza del DNA programmabile, non per l'archiviazione di informazioni, ma creare "strumenti molecolari" su scala nanometrica che svolgono compiti definiti e leggono ciò che analizzano. Questo nuovo avanzamento della loro piattaforma di imaging a super risoluzione basata sul DNA è un'impresa straordinaria che ha il potenziale per scoprire il funzionamento interno delle cellule a livello di singola molecola utilizzando microscopi convenzionali disponibili nei comuni laboratori di biologia, "ha detto Donald Ingber, M.D., dottorato di ricerca, che è il Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso la Harvard Medical School e il Vascular Biology Program presso il Boston Children's Hospital, e anche Professore di Bioingegneria presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.
