I ricercatori ampliano costantemente il loro arsenale di metodi per decifrare l'organizzazione spaziale delle strutture biologiche. Usando microscopi, ora possono visualizzare i singoli componenti macromolecolari all'interno del DNA, proteina, o altri complessi. Però, questa risoluzione richiede in genere apparecchiature sofisticate applicate a campioni appositamente elaborati, ed è difficile osservare contemporaneamente molti tipi di molecole, soprattutto ad alta densità e produttività, o interazioni dinamiche.

Eludendo la necessità di costosi microscopi, alcuni recenti approcci biochimici collegano sonde di DNA con codice a barre a bersagli molecolari e quindi fondono insieme quelli nelle coppie vicine, spesso mediante legatura del DNA. Questi "registri" del DNA vengono successivamente letti per l'analisi. Poiché questi metodi distruggono le sonde del DNA nel processo di accoppiamento, però, le informazioni acquisite da ciascun bersaglio molecolare non possono includere più di un'interazione, né multipli contemporaneamente né uno che cambia nel tempo. Tali metodi possono limitare gravemente la qualità di qualsiasi successiva ricostruzione computazionale, e rendono impossibile la ricostruzione dei singoli complessi.

Per superare questi limiti, un team del Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering di Harvard guidato dal membro della Core Faculty Peng Yin, dottorato di ricerca, ha ora sviluppato un metodo basato sulla nanotecnologia del DNA che consente di ripetere, registrazione non distruttiva di accoppiamenti molecolari con codici a barre univoci, rendendo una vista dettagliata dei loro componenti e geometrie. Nel futuro, l'approccio potrebbe aiutare i ricercatori a capire come i cambiamenti nei complessi molecolari controllano i processi biologici nelle cellule viventi. Lo studio è pubblicato su Comunicazioni sulla natura .

"Il nostro metodo, che chiamiamo "Auto-cycling Proximity Recording" (APR), agisce essenzialmente come un registratore biochimico continuo delle strutture molecolari, " ha detto Yin, che è anche professore di biologia dei sistemi alla Harvard Medical School. "APR ci permette di guardare molte prossimità simultaneamente e ripetutamente, e con il minimo disturbo alla struttura. Valutando l'intero complemento di tutte queste coppie in molti cicli, possiamo creare una vista dettagliata di una struttura molecolare e persino osservare diversi stati strutturali degli stessi bersagli".

Come prova di principio, il team ha progettato più sonde di DNA in silico, e li hanno sintetizzati e attaccati a bersagli molecolari contenuti nelle geometrie prescritte delle nanostrutture di origami di DNA. Attraverso questa nuova concezione, Meccanismo biochimico diretto dal DNA, un record sotto forma di un filamento di DNA con codice a barre viene sintetizzato sulla struttura se e solo se due di queste sonde di DNA sono sufficientemente vicine l'una all'altra ("registrazione di prossimità"). I dischi vengono rilasciati man mano che vengono sintetizzati, e successivamente raccolti per l'analisi della sequenza.

A differenza di altri metodi biochimici, ogni singolo target APR può produrre oltre 30 record di DNA ("auto-cycling"), consentendo una raccolta dati affidabile. Dopo aver raccolto tutti i record del DNA, il team ha compilato le proprie sequenze e ha ricostruito con successo la geometria delle nanostrutture sintetiche. Così, l'approccio funziona come un "nanoscopio del DNA", che utilizza la biochimica del DNA specificamente progettata per visualizzare le coppie target in un oggetto molecolare. Espandendo queste nuove capacità, i ricercatori Wyss sono stati persino in grado di documentare i cambiamenti nello stato delle singole nanostrutture, aumentando la possibilità che l'approccio possa essere utilizzato per correlare le transizioni strutturali nei complessi molecolari con le loro funzioni biologiche.

"Utilizzando anticorpi e altri agenti ampiamente utilizzati per dirigere le sonde del DNA verso bersagli molecolari, potremmo applicare la tecnologia APR per decodificare i componenti e le geometrie dei complessi biologici, " ha detto Thomas Schaus, M.D., dottorato di ricerca, uno scienziato dello staff del Wyss Institute che, come primo autore dello studio, insieme a Yin ha sviluppato APR. "Il fatto che i record del DNA individuali portino un unico, codici a barre sequenziabili e che il metodo è scalabile potrebbe consentirci di seguire un giorno, individualmente, migliaia o milioni di macromolecole in un percorso biochimico".

"Lo sviluppo dell'APR come mezzo nanotecnologico per decifrare le strutture molecolari senza la necessità di microscopi elaborati e costosi illustra davvero come l'iniziativa Molecular Robotics lanciata di recente dal Wyss Institute possa influire sulla ricerca e sugli sviluppi della biologia strutturale in molti laboratori, ", ha affermato il direttore fondatore del Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., dottorato di ricerca, che è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso HMS e Vascular Biology Program presso il Boston Children's Hospital, nonché Professore di Bioingegneria presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.