Ludwig-Maximilians-Universität München
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Physik

10fach schnellere Superauflösungsmikroskopie

München, 08.10.2019

Optimierte DNA-Sequenzen ermöglichen eine 10fach schnellere Bildaufnahme mit der Technik DNA-PAINT.

Die superauflösende Mikroskopietechnik DNA-PAINT ermöglicht die Detektion von feinen Strukturen in der Zelle, wie hier die Mikrotubuli, Bestandteile des Zytoskelettes. (Bild: Florian Schueder, MPI für Biochemie)

Fortschritte in der Fluoreszenzmikroskopie ermöglichen es, biologische Prozesse unterhalb der klassischen Beugungsgrenze des Lichtes sichtbar zu machen. Eine Variante dieser sogenannten Superauflösungstechniken ist DNA-PAINT, die von Ralf Jungmann, Professor für Experimentalphysik an der LMU und Forschungsgruppenleiter für "Molekulare Bildgebung und Bionanotechnologie" am Max-Planck-Institut für Biochemie, und Kollegen entwickelt wurde. „DNA-PAINT ermöglicht es, superaufgelöste Bilder mit technisch vergleichsweise einfachen Mikroskopen zu erhalten“, sagt Jungmann. Um das zur Rekonstruktion superaufgelöster Bilder notwendige „Blinken“ von Zielmolekülen zu erreichen, werden diese bei DNA-PAINT mit kurzen DNA-Strängen markiert. In Lösung befindet sich ein komplementärer, farbstoffmakrierter DNA-Strang, der wiederholt an den Zielstrang an- und abbindet und das Ziel zum „Blinken“ bringt. So erreicht DNA-PAINT sehr hohe Ortsauflösungen von besser als 10 nm und kann durch die Nutzung verschiedener DNA-Sequenzen, quasi Barcodes, viele Zielmoleküle gleichzeitig abbilden.

„In den letzten Jahren haben wir die Technik in vielen Bereichen verbessert. Eine große Einschränkung hat uns jedoch immer daran gehindert, DNA-PAINT für biologisch relevante Hochdurchsatzstudien einzusetzen: Die vergleichsweise langsame Bildaufnahme“, sagt Jungmann. Klassische DNA-PAINT-Experimente nehmen üblicherweise mehrere zehn Minuten bis hin zu Stunden in Anspruch. „Wir haben uns genau angeschaut, warum das so lange dauert“, so Florian Schüder, Erstautor der Studie und Mitarbeiter im Labor von Jungmann. „Durch optimiertes DNA-Sequenzdesign und verbesserte Pufferbedingungen konnten wir die Geschwindigkeit um einen Faktor 10 erhöhen“, so Schüder weiter.

Von der DNA-Origami-Testplattform zur Zelle

Um die Verbesserungen der DNA-PAINT-Technik zu testen, kombinierten die Forscher diese mit DNA-Origami-Strukturen. Hierbei handelt es sich um selbstassemblierende DNA-Objekte in Nanometergröße, die sich autonom zu einer Art „Steckplatte“ falten. Auf dieser befinden sich die Gegenstränge, die als definierte Punkte im Abstand von ungefähr 5nm aufgetragen sind. Unter dem Mikroskop untersuchten die Forscher so die verbesserte Messgeschwindigkeit unter definierten Bedingungen. Im nächsten Schritt konnte die verbesserte Aufnahmegeschwindigkeit auch in zellulärer Umgebung gezeigt werden. Hierzu wurden in einer Zellprobe die Mikrotubli, ein Teil des Zytoskelettes, mit 10fach höherer Geschwindigkeit sichtbar gemacht. „Wir konnten so ein quadratmillimetergroßes Areal in acht Stunden bei einer Auflösung von 20 nm aufnehmen. Das hätte vorher fast vier Tage gedauert“, erklärt Florian Schüder.

Ralf Jungmann fasst zusammen: „Mit der in dieser Studie gezeigten 10fach höheren Abbildungsgeschwindigkeit eröffnen wir ein neues Kapitel superaufgelöster DNA-basierter Mikroskopie. Dies sollte es uns nun erlauben, DNA-PAINT für Hochdurchsatzstudien mit biologischer und biomedizinischer Relevanz zum Beispiel in der Diagnostik einzusetzen.“ (Nature Methods 2019)