20 Feb Molekulare Lineale für die Superresolution-Mikroskopie
Ein Team vom Rudolf-Virchow-Zentrum – Center for Integrative and Translational Bioimaging der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg, geleitet von Dr. Gerti Beliu und Professor Markus Sauer, präsentiert einen Fortschritt für die hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie: Ihre Methode ermöglicht es Forschenden, Biomoleküle als molekulare Lineale zu nutzen, um neuste Methoden der superhochauflösenden Mikroskopie zu kalibrieren. Deren Auflösung erreicht wenige Nanometer und liegt bei der Größe zellulärer Moleküle. Welche Auflösung an zellulären Bausteinen wie Multiproteinkomplexen damit aber tatsächlich erreicht wird, war bisher nicht überprüfbar – denn es gab keine biomolekularen Referenzsysteme, die mit Farbstoffen an genau definierten Positionen im Abstand von wenigen Nanometern markiert werden konnten.
Für einen Wendepunkt hat nun das Würzburger Forscherteam gesorgt: Mittels Erweiterung des genetischen Codes und Click-Chemie ist es gelungen, diese maßgeschneiderten molekularen Lineale zu konstruieren. Die PicoRuler lassen sich in der Fluoreszenzmikroskopie als präzise biomolekulare Referenzstrukturen nutzen.
Präzision auf molekularer Ebene
Die PicoRuler basieren auf dem dreiteiligen Protein PCNA (Proliferating-Cell-Nuclear-Antigen), das eine zentrale Rolle bei der DNA-Replikation und -Reparatur spielt. Mittels präziser Einführung unnatürlicher Aminosäuren an definierten Positionen wurde dieses Protein so modifiziert, dass man gezielt Fluoreszenzfarbstoffe oder andere Moleküle mit geringem Abstandsfehler daran anklicken kann. Das soll Forschende in die Lage versetzen, die Auflösung von Superresolution-Mikroskopiemethoden mit bisher unerreichter Präzision an einem definierten zellulären Biomolekül zu überprüfen.
Markus Sauer kommentiert: „Die Fähigkeit, echte biologische Strukturen auf Sub-10-nm-Ebene aufzulösen, markiert eine neue Ära in der biologischen Bildgebung. Im Vergleich zu bisher genutzten artifiziellen Makromolekülen zeichnen sich unsere PicoRuler nicht nur durch ihre biologische Kompatibilität aus. Sie ermöglichen auch eine unvergleichliche Präzision zur Überprüfung des Auflösungsvermögen unter realistischen Bedingungen.“
Türöffner zur Erforschung komplexer Prozesse in Zellen
Die Anwendung dieser Technologie erstreckt sich weit über die traditionellen Grenzen der Mikroskopie hinaus. „Unsere PicoRuler sind nicht nur ein Werkzeug für präzisere Messungen, sondern öffnen auch die Tür zu einer tieferen und detaillierteren Untersuchung komplexer Prozesse, die innerhalb unserer Zellen ablaufen”, erläutert Gerti Beliu.
Die weitere Entwicklung der PicoRuler kann die biologische und medizinische Bildgebung mit molekularer Auflösung nach Ansicht der Forschenden nachhaltig verändern. Sie ermöglichen es, das Auflösungspotenzial neuer superhochauflösender Mikroskopieverfahren an biologischen Proben zu validieren und zu verbessern. Damit sind sie ein wertvolles Werkzeug zur zukünftigen Aufklärung der molekularen Organisation und Wechselwirkung von Biomolekülen in Zellen.
Originalpublikation:
[D.A. Helmerich et al.: PCNA as protein-based nanoruler for sub-10 nm fluorescence imaging; Advanced Materials, 27. November 2023, DOI: 10.1002/adma.202310104]
Quelle: www.uni-wuerzburg.de/
Bild: Gerti Beliu / DALL-E 3, Universität Würzburg
