Forschung & Entwicklung

Morsezeichen aus der Zelle

Weiterentwickelte, hochauflösende Mikroskopietechnik analysiert die genaue Anzahl der verschiedenen Moleküle in Zellen. Dies ist hilfreich, um zelluläre Mechanismen sowie krankhafte Veränderungen im Detail zu verstehen.

Mikroskopisch kleine Moleküle können nur mit Hilfe von fluoreszierenden Farbstoffen detektiert werden, die an die gesuchte Struktur andocken und dann aufleuchten. Ralf Jungmann und sein Team vom Max-Planck-Institut für Biochemie hat die DNA-PAINT-Methode, die es erlaubt, eine Vielzahl zellulärer Moleküle und ihre Interaktionen mit hoher Genauigkeit abzubilden, weiterentwickelt.

Das Verfahren basiert darauf, dass der Farbstoff und das gesuchte Molekül nicht direkt binden, sondern jeweils an einen kurzen DNA-Strang gekoppelt sind. Diese Abschnitte sind in ihrem Aufbau komplementär, so dass sie sich wie zwei Hälften eines Reißverschlusses zusammenfügen. Dann verrät der Farbstoff das Zielmolekül und dessen Position. Die Stärke der DNA-Bindung kann eingestellt werden. Ist sie schwach genug, lösen sich die beiden Stränge voneinander, und das Signal erlischt wieder. Nach dem sogenannten Exchange-PAINT-Ansatz können dann in nachfolgenden Schritten weitere Moleküle in der experimentell fixierten Zelle nachgewiesen werden.

So entstehen Schnappschüsse, die jeweils nur eine bestimmte zelluläre Struktur nachweisen. Übereinander gelegt entsteht in hoher räumlicher Auflösung eine Art Gruppenfoto der zellulären Moleküle, die zu einem gegebenen Zeitpunkt zu einem gemeinsamen Prozess beitragen und dafür interagieren.

Die Wissenschaftler haben die Methode erweitert, um die Komplexität der zellulären Vorgänge möglichst detailliert abzubilden. Wie sie berichten, kann dank qPAINT erstmals auch die Anzahl der nachgewiesenen Moleküle präzise bestimmt werden. Dafür wird die Bindungsstärke der DNA-Stränge gezielt justiert. Sie ist so eingestellt, dass sich die Nukleinsäure-Abschnitte nach einer festgelegten Zeitspanne voneinander trennen. Dann sind sie frei für eine weitere Bindung, die den Farbstoff erneut zum Aufleuchten bringt. Abhängig von der Menge der Zielmoleküle kann sich dieser Zyklus aus Bindung und Trennung viele Male wiederholen - mit entsprechend häufigen Fluoreszenzsignalen.

Aus der Frequenz der molekularen Morsezeichen lässt sich mit Hilfe von qPAINT die exakte Anzahl der Moleküle in der Zelle errechnen, die jeweils zusammenwirken. Die Wissenschaftler hoffen, dass das neuartige Verfahren in viele Forschungsbereiche Einzug halten wird, auch weil es kostengünstiger als andere hochaufgelöste mikroskopische Ansätze ist. Die genaue Anzahl spezifischer Moleküle sei bei vielen biologischen Prozessen und auch bei krankhaften Veränderungen wichtig. Bei vielen Störungen fielen Moleküle nicht ganz aus, sondern lägen in nur leicht veränderter Menge vor, erläutert Jungmann.

Originalveröffentlichung:

[R. Jungmann, M. S. Avendaño, M. Dai, J. B. Woehrstein, S. S. Agasti, Z. Feiger, A. Rodal, P. Yin, Quantitative super-resolution imaging with qPAINT, Nature Methods, DOI: 10.1038/nmeth.3804]

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