Moleculaire meetlat zou superresolutiemicroscopie kunnen bevorderen – Physics World

Moleculaire meetlat zou superresolutiemicroscopie kunnen bevorderen – Physics World

Tijdstempel: 25 januari 2024 4:30 uur

Afbeelding van meetstokjes gegroepeerd in een driehoek en omgeven door kronkelige moleculen
De PicoRuler: op eiwitten gebaseerde moleculaire linialen maken het mogelijk om de optische resolutie van de nieuwste superresolutiemicroscopiemethoden op biomoleculen in het bereik van minder dan 10 nanometer onder realistische omstandigheden te testen. (Met dank aan: Gerti Beliu, DALL-E 3 / Universiteit van Würzburg)

Als je een alledaags voorwerp wilt meten, kun je een liniaal gebruiken: een stuk materiaal met een vaste lengte en regelmatig gemarkeerde scheidingslijnen. Dankzij een nieuw apparaat genaamd PicoRuler kan hetzelfde meetprincipe nu worden toegepast op kleine objecten zoals cellen en moleculen. Het minuscule meetstokje, ontwikkeld door onderzoekers van de Julius-Maximilians Universität (JMU) Würzburg in Duitsland, werkt in biologische omgevingen en zou kunnen worden gebruikt om het vermogen van superresolutiemicroscopietechnieken te testen om objecten met een lengte van minder dan 10 nm in beeld te brengen.

Superresolutiemicroscopie op basis van fluorescentiebeeldvorming heeft zich de afgelopen twintig jaar snel ontwikkeld. Het is nu routine voor dergelijke methoden om structuren zo klein als een paar nanometer op te lossen – ver onder de diffractielimiet voor conventionele zichtbaar-lichtmicroscopie.

Om deze technieken verder te ontwikkelen, hebben onderzoekers referentiestructuren nodig om de prestaties van hun microscopen te kalibreren. De belangrijkste kalibratiemethode die momenteel wordt gebruikt, is gebaseerd op kunstmatige DNA-origamistructuren. Deze kunnen worden gesynthetiseerd om verschillende fluoroforen op goed gedefinieerde posities op minder dan 10 nm van elkaar te dragen, waardoor ze kunnen fungeren als linialen voor beeldvorming onder de 10 nm. Het probleem is dat DNA-origami zeer negatief geladen is en dus niet kan worden gebruikt in biologische cellulaire beeldvormingsmedia in de echte wereld.

Klikt op zijn plaats

Onder leiding van biotechnologen Markus Sauer en Gerti Beliuontwikkelde het JMU-team een ​​biocompatibel alternatief op basis van een driedelig eiwit genaamd proliferating cell nucleair antigeen (PCNA). Door synthetische aminozuren op dit eiwit te introduceren op nauwkeurig gedefinieerde posities met een onderlinge afstand van 6 nm, maakten ze het mogelijk dat fluorescerende kleurstofmoleculen er op een efficiënte manier chemisch op konden 'klikken'. Dankzij deze nieuwe structuur konden ze de resolutie testen van een techniek die bekend staat als op DNA gebaseerde puntenaccumulatie voor beeldvorming in topografie op nanoschaal (DNA-PAINT) tot 6 nm. Sauer zegt dat het ook belangrijk kan zijn voor andere technieken zoals directe stochastische optische reconstructiemicroscopie (dSTORM), MINFLUX of MINSTED.

“Deze geavanceerde microscopietechnieken kunnen ruimtelijke resoluties bereiken in het bereik van enkele nanometers, en de nieuwe liniaal zal dienen als kalibratie-instrument om de nauwkeurigheid ervan te verifiëren en te verbeteren”, zegt hij.

Onderzoek naar de celstructuur van binnenuit

De onderzoekers proberen nu hun liniaal te optimaliseren voor gebruik in verschillende biologische omgevingen, inclusief levende cellen. Een andere richting voor de ontwikkeling, zegt Sauer, zou kunnen zijn om PicoRulers rechtstreeks in de cellen zelf te brengen door middel van technieken als micro-injectie of functionaliteit met celpenetrerende peptiden. De apparaten kunnen dus worden gebruikt om de structuur van een cel van binnenuit te onderzoeken, waardoor kennis wordt vergaard die de cellulaire biologie kan bevorderen en een beter begrip kan opleveren van ziekten en routes voor de ontwikkeling van geneesmiddelen.

“Ons team richt zich ook op het uitbreiden van het assortiment biomoleculen die kunnen worden gebruikt als PicoRulers”, vertelt Sauer. Natuurkunde wereld. “Daarvoor gaan we kijken naar verschillende eiwitten en andere biologische complexen. We zijn ervan overtuigd dat de ontwikkeling van onze PicoRuler een belangrijke stap voorwaarts betekent op het gebied van superresolutiemicroscopie, en een waardevol hulpmiddel biedt voor het onderzoeken van cellulaire en moleculaire structuren met ongekende resoluties.”

De PicoRuler wordt beschreven in Geavanceerde materialen.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld