I biofisici della Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) di Monaco di Baviera hanno utilizzato una nuova variante della microscopia a super risoluzione per visualizzare per la prima volta tutti i filamenti di una nanostruttura basata sul DNA. Il metodo promette di ottimizzare la progettazione di tali strutture per applicazioni specifiche.

Il termine 'DNA origami' si riferisce a un metodo per la progettazione e l'autoassemblaggio di strutture molecolari complesse con precisione nanometrica. La tecnica sfrutta le interazioni di accoppiamento di basi tra molecole di DNA a filamento singolo di sequenza nota per generare nanostrutture tridimensionali complesse con forme predefinite in numeri arbitrariamente grandi. Il metodo ha un grande potenziale per un'ampia gamma di applicazioni nella ricerca biologica e biofisica di base. Pertanto, i ricercatori stanno già utilizzando gli origami del DNA per sviluppare nanomacchine funzionali. In tale contesto, la capacità di caratterizzare la qualità del processo di assemblaggio è vitale. Ora un team guidato da Ralf Jungmann, Professore di Fisica Sperimentale alla LMU di Monaco e Responsabile del Laboratorio di Imaging Molecolare e Bionanotecnologia presso il Max Planck Institute for Biochemistry (Martinsried), segnala un importante passo avanti in questo senso. Nella rivista online Comunicazioni sulla natura , lui ei suoi colleghi descrivono una modalità di microscopia a super risoluzione che consente di visualizzare individualmente tutti i filamenti all'interno di queste nanostrutture. Ciò ha permesso loro di concludere che l'assemblaggio procede in modo robusto in un'ampia gamma di condizioni, ma che la probabilità che un dato filamento venga incorporato in modo efficiente dipende dalla posizione precisa della sua sequenza bersaglio nella struttura in crescita.

Le strutture degli origami del DNA sono essenzialmente assemblate consentendo a una lunga molecola di DNA a singolo filamento (il filamento "scaffold") di interagire in modo controllato, modo predefinito con una serie di trefoli più corti. Questi ultimi si legano a tratti specifici ("complementari") del filone dell'impalcatura, piegandolo progressivamente nella forma desiderata. "Nel nostro caso, i filamenti di DNA si autoassemblano in una struttura rettangolare piatta, che serve come elemento di base per molti studi basati sull'origami del DNA al momento, "dice Maximilian Strauss, primo autore congiunto del nuovo articolo, insieme a Florian Schüder e Daniel Haas. Con l'ausilio di una tecnica a super risoluzione chiamata DNA-PAINT, i ricercatori sono in grado di visualizzare nanostrutture con una risoluzione spaziale senza precedenti, consentendo loro di visualizzare ciascuno dei filamenti nelle nanostrutture. "Quindi ora possiamo visualizzare direttamente tutti i componenti della struttura dell'origami e determinare quanto bene si assembla, "dice Strauss.

Come suggerisce il nome, la stessa tecnica DNA-PAINT si avvale anche della specificità delle interazioni DNA-DNA. Qui, brevi filamenti "imager" collegati a molecole di colorante che si accoppiano con sequenze complementari vengono utilizzati per identificare i siti accessibili per il legame. I filamenti di imager interagiscono in modo transitorio ma ripetitivo con i loro siti target, che si traduce in un segnale "lampeggiante". "Confrontando le informazioni nelle singole immagini di fluorescenza, siamo in grado di raggiungere una risoluzione più elevata, in modo da poter ispezionare l'intera struttura in dettaglio, " Dice Strauss. "Questo fenomeno può essere inteso come segue. Diciamo che stiamo guardando una casa con due finestre illuminate. Visto da una certa distanza, sembra che la luce provenga da una fonte. Però, si può facilmente distinguere tra le posizioni delle due finestre se le luci vengono accese e spente alternativamente". il metodo consente ai ricercatori di determinare con precisione le posizioni dei fili di graffette legati, e il segnale lampeggiante specifico emesso dai filamenti dell'imager rivela i siti disponibili per il legame.

I risultati ottenuti con il metodo DNA-PAINT hanno rivelato che le variazioni di diversi parametri fisici, come la velocità complessiva di formazione della struttura, hanno poca influenza sulla qualità complessiva del processo di assemblaggio. Però, anche se la sua efficienza può essere migliorata con l'uso di ulteriori fili di graffetta, non tutti i filamenti sono stati trovati in tutte le nanoparticelle formate, cioè non tutti i siti disponibili erano occupati in tutte le strutture finali. "Quando si assemblano le nanomacchine è quindi consigliabile che i singoli componenti vengano aggiunti in grande eccesso e le posizioni delle modifiche scelte in accordo con la nostra mappatura dell'efficienza di incorporazione, "dice Strauss.

Il metodo DNA-PAINT fornisce quindi un mezzo per ottimizzare la costruzione di nanostrutture di DNA. Inoltre, gli autori ritengono che la tecnologia abbia un grande potenziale nel campo della biologia strutturale quantitativa, in quanto consentirà ai ricercatori di misurare parametri importanti come l'efficienza di etichettatura degli anticorpi, proteine ​​cellulari e acidi nucleici direttamente.