Нанобиотехнология на основе ДНК открывает путь к сверхвысокому разрешению молекулярной визуализации

Команда из Института биологически инспирированной инженерии Висса при Гарвардском университете получила специальный грант в размере $3.5 млн от Национальных институтов здоровья (NIH) на разработку недорогого и простого в использовании метода микроскопии для одновременного обнаружения множества крошечных компонентов клеток.

Грант, называемый Transformative Research Award, является частью инициативы NIH по финансированию исследований с высоким риском и высокой отдачей. В 2013 году агентство профинансировало всего 10 таких проектов по всей стране.

Метод микроскопии на основе ДНК потенциально может привести к новым способам диагностики заболеваний путем различения здоровых и больных клеток на основе сложных молекулярных деталей. Он также может помочь ученым понять, как компоненты клетки выполняют свою работу внутри нее.

"Если вы хотите изучать физиологию и болезнь, вы хотите видеть, как работают молекулы, и важно видеть их в их естественной среде", — сказал Пенг Инь, доктор философии, ведущий проекта.

Биологи используют микроскопы, чтобы увидеть, как крошечные структуры внутри клеток поддерживают их, помогают двигаться, размножаться, активировать гены и многое другое. Однако, когда два объекта находятся ближе, чем примерно 0.2 микрометра (около одной пятисотой ширины человеческого волоса), ученые больше не могут различить их с помощью традиционных световых микроскопов. Это происходит из-за того, как световые лучи огибают объекты, и известно как дифракционный предел.

Молекулы, такие как ферменты, рецепторы, РНК и ДНК, которые выполняют большую часть работы клетки, обычно намного меньше 0.2 микрометра. Существующие методы преодоления дифракционного предела либо требуют очень дорогих специальных микроскопов, либо громоздких процедур. Кроме того, современные методы могут одновременно выявлять лишь небольшое количество различных видов молекул, а изображения остаются размытыми.

Команда Института Висса планирует преодолеть эти проблемы, комбинируя методы визуализации одиночных молекул с молекулярными инструментами из ДНК-нанотехнологии. Используя метод визуализации под названием DNA-PAINT, они создали "имиджевые цепи", пометив небольшие фрагменты ДНК флуоресцентным красителем. Каждая из этих цепей временно связывается с комплементарной цепью ДНК, прикрепленной к молекуле-мишени, что заставляет мишень "мигать". Такое мигание позволяет преодолеть дифракционный предел и получить более четкие изображения мишеней.

"Сила использования ДНК заключается в ее удивительной программируемости", — сказал Инь. "Мы планируем использовать эту возможность, чтобы заставить молекулы в клетках мигать программируемым и автономным образом. Это позволит нам увидеть то, что раньше было невидимо".

Команда Иня специализируется на использовании ДНК для создания программируемых синтетических наноструктур. Грант NIH позволит им использовать ДНК для программирования мигающего света с целью получения сверхчетких молекулярных и клеточных изображений для биомедицинских исследований.

"Пока мы не сможем четко и одновременно визуализировать множество молекулярных компонентов клеток, мы можем только строить предположения о том, как они объединяются для выполнения своих сложных биологических функций", — сказал основатель и директор Института Висса Дон Ингбер, доктор медицины и философии. "Я уверен, что новый недорогой подход Пенга к микроскопии сверхвысокого разрешения изменит ландшафт биомедицинских исследований и приведет к новым методам диагностики, которые будут выявлять болезни раньше и с большей точностью".