PAINT – визуализация всех нитей ДНК-наноструктур

ДНК оригами – это метод проектирования и самосборки сложных молекулярных структур с точностью в нанометровом масштабе. Путем использования взаимосвязи парного взаимодействия между одноцепочечными молекулами ДНК известной последовательности способ генерирует произвольно большое количество сложных трехмерных наноструктур с заранее определенными формами.

Этот метод обладает огромным потенциалом для широкого спектра применений в областях исследований биофизики и фундаментальной биологии. Следовательно, исследователи уже используют ДНК оригами для разработки функциональных наномашин. Здесь важно иметь возможность охарактеризовать качество процесса сборки.

В настоящее время команда во главе с профессором экспериментальной физики в Мюнхенском университете ЛМУ и руководителем лаборатории молекулярной визуализации и бионанотехнологии в Институте биохимии им. Макса Планка (Мартиншрид) Ральфом Юнгманном сообщила о значительном прогрессе в этой области. В Nature Communications он-лайн журнал, он и его команда разработали способ сверхвысокой микроскопии, который позволяет индивидуальную визуализацию всех нитей внутри этих наноструктур.

Это позволило им сделать вывод о том, что сборка продвигается в строгом соответствии с различными условиями; однако вероятность эффективного включения конкретной нити будет зависеть от точного положения ее целевой последовательности в развивающейся структуре.

Микроскопия с высоким разрешением. С ДНК-краской можно визуализировать все нити в ДНК-наноструктурах индивидуально. (Image credit: Maximilian Strauss, Институт биохимии им. Макса Планка)

. В сущности, для сборки структур ДНК оригами длинная одноцепочечная молекула ДНК («каркасная» нить) позволяет взаимодействовать с набором более коротких «штапельных» нитей в контролируемой, предопределенной форме. Последние связываются с конкретными («комплементарными») участками нити каркаса, постепенно складывая их в предпочтительную форму.

«. В нашем случае нити ДНК самоорганизуются в плоскую прямоугольную структуру, которая служит основным строительным блоком для многих исследований на основе оригами на основе ДНК в настоящий момент », – отметил Максимилиан Штраус, первый автор новой статьи, вместе с Флорианом Шюдером и Даниэлем Хаасом. Исследователи могли визуализировать наноструктуры с необычайным пространственным разрешением, а также отображать каждую из нитей в наноструктурах с использованием метода суперразрешения, известного как DNA-PAINT.

« Итак, теперь мы можем непосредственно визуализировать все компоненты структуры оригами и определить, насколько хорошо он объединяется – заявил Штраус.

. Так называемая технология ДНК-PAINT также использует специфику ДНК-ДНК-взаимодействий. В этом случае для идентификации сайтов, доступных для связывания, используются короткие «пигментные» нити, соединенные с молекулами красителя, которые соединяются с комплементарными последовательностями. Переходное, но повторяющееся взаимодействие цепей изображения с их целевыми сайтами приводит к «мигающему» сигналу.

Сравнивая информацию на отдельных изображениях флуоресценции, мы можем достичь более высокого разрешения, чтобы мы могли подробно изучить всю структуру . Это явление можно понять следующим образом. Предположим, мы смотрим на дом с двумя освещенными окнами. Если смотреть на определенном расстоянии, кажется, что свет исходит из одного источника. Однако можно легко различать положения двух окон, если свет поочередно включается и выключается .

Максимилиан Штраус

Таким образом, эта методика позволяет исследователям точно установить позиции связанных штапельных нитей. Более того, конкретный мигающий сигнал, излучаемый цепями изображения, показывает сайты, которые доступны для привязки.

Результаты, полученные с использованием метода ДНК-PAINT, показали, что изменения в различных физических параметрах, включая общую скорость формирования структуры, не оказывают существенного влияния на общее качество процесса сборки. С другой стороны, хотя его эффективность может быть улучшена за счет использования дополнительных штапельных нитей, не все нити были найдены во всех образовавшихся наночастицах, то есть некоторые доступные участки были незаняты в конечных структурах.

Поэтому при сборке наномашин желательно, чтобы отдельные компоненты были добавлены в большом избытке и положения модификаций, выбранных в соответствии с нашим отображением эффективности включения.

Максимилиан Штраус

Поэтому метод ДНК-PAINT предлагает средства для оптимизации изготовления ДНК-наноструктур. Кроме того, авторы ожидают, что технология будет обладать огромным потенциалом в области количественной структурной биологии, позволяя исследователям непосредственно измерять основные параметры, включая эффективность маркировки нуклеиновых кислот, клеточных белков и антител.

Source link