Molekularer Messstab könnte hochauflösende Mikroskopie voranbringen – Physics World

Wenn Sie einen Alltagsgegenstand messen möchten, können Sie ein Lineal verwenden – ein Stück Material mit einer festen Länge und regelmäßig markierten Unterteilungen. Dank eines neuen Geräts namens PicoRuler kann das gleiche Messprinzip nun auf winzige Objekte wie Zellen und Moleküle angewendet werden. Der winzige Messstab wurde von Forschern der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Deutschland entwickelt. Er funktioniert in biologischen Umgebungen und könnte verwendet werden, um die Fähigkeit hochauflösender Mikroskopietechniken zu testen, Objekte mit einer Länge von weniger als 10 nm abzubilden.

Die auf Fluoreszenzbildgebung basierende hochauflösende Mikroskopie hat sich in den letzten 20 Jahren rasant entwickelt. Mit solchen Methoden ist es mittlerweile Routine, Strukturen mit einer Größe von wenigen Nanometern aufzulösen – weit unterhalb der Beugungsgrenze der herkömmlichen Mikroskopie mit sichtbarem Licht.

Um diese Techniken weiter voranzutreiben, benötigen Forscher Referenzstrukturen, um die Leistung ihrer Mikroskope zu kalibrieren. Die derzeit hauptsächlich verwendete Kalibrierungsmethode basiert auf künstlichen DNA-Origami-Strukturen. Diese können so synthetisiert werden, dass sie mehrere Fluorophore an genau definierten Positionen in einem Abstand von weniger als 10 nm tragen, sodass sie wie Lineale für die Bildgebung unter 10 nm fungieren können. Das Problem besteht darin, dass DNA-Origami stark negativ geladen ist und daher nicht in realen biologischen zellulären Bildgebungsmedien verwendet werden kann.

Einrasten

Unter der Leitung von Biotechnologen Markus Sauer und Gerti BeliuDas JMU-Team entwickelte eine biokompatible Alternative, die auf einem dreiteiligen Protein namens PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen) basiert. Durch die Einführung synthetischer Aminosäuren in dieses Protein an genau definierten Positionen im Abstand von 6 nm ermöglichten sie es fluoreszierenden Farbstoffmolekülen, auf effiziente Weise chemisch darauf zu „klicken“. Diese neue Struktur ermöglichte es ihnen, die Auflösung einer Technik zu testen, die als DNA-basierte Punktakkumulation für die Bildgebung in nanoskaliger Topographie (DNA-PAINT) bis hinunter zu 6 nm bekannt ist. Laut Sauer könnte es auch für andere Techniken wie die direkte stochastische optische Rekonstruktionsmikroskopie (dSTORM), MINFLUX oder MINSTED wichtig sein.

„Mit diesen fortschrittlichen Mikroskopietechniken können räumliche Auflösungen im Bereich von wenigen Nanometern erreicht werden, und das neue Lineal wird als Kalibrierungswerkzeug zur Überprüfung und Verbesserung ihrer Genauigkeit dienen“, sagt er.

Zellstruktur von innen heraus erforschen

Die Forscher versuchen nun, ihr Lineal für den Einsatz in verschiedenen biologischen Umgebungen, einschließlich lebender Zellen, zu optimieren. Eine weitere Entwicklungsrichtung könnte laut Sauer darin bestehen, PicoRulers durch Techniken wie Mikroinjektion oder Funktionalisierung mit zelldurchdringenden Peptiden direkt in die Zellen selbst einzubringen. Die Geräte könnten somit verwendet werden, um die Struktur einer Zelle von innen heraus zu erforschen und Erkenntnisse zu gewinnen, die die Zellbiologie voranbringen und zu einem besseren Verständnis von Krankheiten und Wegen zur Arzneimittelentwicklung führen könnten.

„Unser Team konzentriert sich auch auf die Erweiterung des Spektrums an Biomolekülen, die als PicoRulers verwendet werden können“, erzählt Sauer Physik-Welt. „Dazu werden wir verschiedene Proteine ​​und andere biologische Komplexe untersuchen. Wir sind überzeugt, dass die Entwicklung unseres PicoRuler einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der hochauflösenden Mikroskopie darstellt und ein wertvolles Werkzeug für die Erforschung zellulärer und molekularer Strukturen mit beispielloser Auflösung bietet.“

Der PicoRuler wird beschrieben in Fortgeschrittene Werkstoffe.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/molecular-measuring-stick-could-advance-super-resolution-microscopy/