Molekylær målestok kunne fremme superopløsningsmikroskopi – Physics World

Molekylær målestok kunne fremme superopløsningsmikroskopi – Physics World

Tidsstempel: 25. januar 2024 kl. 4

Billede der viser målestokke grupperet i en trekant og omgivet af snoede molekyler
PicoRuleren: Proteinbaserede molekylære linealer gør det muligt at teste den optiske opløsning af de nyeste superopløsningsmikroskopimetoder på biomolekyler i området under 10 nanometer under realistiske forhold. (Med høflighed: Gerti Beliu, DALL-E 3 / University of Würzburg)

Hvis du vil måle en hverdagsgenstand, kan du bruge en lineal – et stykke materiale med en fast længde og regelmæssigt markerede opdelinger. Takket være en ny enhed kaldet en PicoRuler kan det samme måleprincip nu anvendes på bittesmå genstande som celler og molekyler. Udviklet af forskere ved Julius-Maximilians Universität (JMU) Würzburg i Tyskland, fungerer den lille målestok i biologiske miljøer og kan bruges til at teste evnen af ​​superopløsningsmikroskopiteknikker til at afbilde objekter, der er mindre end 10 nm lange.

Superopløsningsmikroskopi baseret på fluorescensbilleddannelse har udviklet sig hurtigt over de sidste 20 år. Det er nu rutine for sådanne metoder at opløse strukturer så små som nogle få nanometer - langt under diffraktionsgrænsen for konventionel mikroskopi med synligt lys.

For at skubbe disse teknikker yderligere har forskere brug for referencestrukturer til at kalibrere deres mikroskopers ydeevne. Den vigtigste kalibreringsmetode, der i øjeblikket er i brug, er afhængig af kunstige DNA-origami-strukturer. Disse kan syntetiseres til at bære flere fluoroforer på veldefinerede positioner mindre end 10 nm fra hinanden, hvilket gør det muligt for dem at fungere som linealer til sub-10 nm billeddannelse. Problemet er, at DNA-origami er stærkt negativt ladet og derfor ikke kan bruges i biologiske, cellulære billeddannelsesmedier fra den virkelige verden.

Klik på plads

Ledet af bioteknologer Markus Sauer , Gerti Beliu, udviklede JMU-teamet et biokompatibelt alternativ baseret på et tredelt protein kaldet proliferating cell nuclear antigen (PCNA). Ved at introducere syntetiske aminosyrer på dette protein på præcist definerede positioner med en afstand på 6 nm fra hinanden, gjorde de det muligt for fluorescerende farvestofmolekyler at kemisk "klikke" på det på en effektiv måde. Denne nye struktur gav dem mulighed for at teste opløsningen af ​​en teknik kendt som DNA-baseret punktakkumulering til billeddannelse i nanoskala topografi (DNA-PAINT) ned til 6 nm. Sauer siger, at det også kan være vigtigt for andre teknikker såsom direkte stokastisk optisk rekonstruktionsmikroskopi (dSTORM), MINFLUX eller MINSTED.

"Disse avancerede mikroskopiteknikker kan opnå rumlige opløsninger i området på nogle få nanometer, og den nye lineal vil tjene som et kalibreringsværktøj til at verificere og forbedre deres nøjagtighed," siger han.

Udforskning af cellestruktur indefra

Forskerne søger nu at optimere deres lineal til brug i forskellige biologiske miljøer, herunder levende celler. En anden udviklingsretning, siger Sauer, kunne være at levere PicoRulers direkte ind i selve cellerne gennem teknikker som mikroinjektion eller funktionalisering med cellegennemtrængende peptider. Enhederne kunne således bruges til at udforske strukturen af ​​en celle indefra, opnå viden, der kan fremme cellulær biologi og bringe en bedre forståelse af sygdomme og veje til lægemiddeludvikling.

"Vores team fokuserer også på at udvide rækken af ​​biomolekyler, der kan bruges som PicoRulers," fortæller Sauer Fysik verden. "Med dette formål vil vi undersøge forskellige proteiner og andre biologiske komplekser. Vi er overbeviste om, at udviklingen af ​​vores PicoRuler markerer et væsentligt skridt fremad inden for superopløsningsmikroskopi, der tilbyder et værdifuldt værktøj til at udforske cellulære og molekylære strukturer med hidtil usete opløsninger."

PicoRuleren er beskrevet i Advanced Materials.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden