Superauflösende Mikroskopieverfahren sind unerlässlich, um die Strukturen von Zellen und die Dynamik von Molekülen aufzudecken. Seit die Forscher die lange als absolut geltende Auflösungsgrenze von rund 250 Nanometern überwanden (und dafür 2014 den Nobelpreis für Chemie erhielten), haben sich die Methoden der Mikroskopie rasant weiterentwickelt.
Nun ist einem Team um den LMU-Chemiker Prof. Philip Tinnefeld durch die Kombination verschiedener Methoden ein weiterer Schritt gelungen, die höchste Auflösung im dreidimensionalen Raum zu erreichen und einen grundlegend neuen Ansatz zur schnelleren Abbildung dichter molekularer Strukturen zu ermöglichen. Das neue Verfahren ermöglicht eine axiale Auflösung von unter 0,3 Nanometer.
Die Forscher kombinierten die von Tinnefelds Team entwickelte sogenannte pMINFLUX-Methode mit einem Ansatz, der sich die besonderen Eigenschaften von Graphen als Energieakzeptor zunutze macht. pMINFLUX basiert auf der Messung der Fluoreszenzintensität von durch Laserpulse angeregten Molekülen. Die Methode ermöglicht es, ihre seitlichen Abstände mit einer Auflösung von nur 1 Nanometer zu unterscheiden.
Graphen absorbiert die Energie eines fluoreszierenden Moleküls, das nicht mehr als 40 Nanometer von seiner Oberfläche entfernt ist. Die Fluoreszenzintensität des Moleküls hängt daher von seinem Abstand zu Graphen ab und kann zur axialen Abstandsmessung verwendet werden.
DNA-PAINT erhöht die Geschwindigkeit
Die Kombination von pMINFLUX mit diesem sogenannten Graphene Energy Transfer (GET) liefert somit Informationen über molekulare Abstände in allen drei Dimensionen – und das in der bisher höchsten erreichbaren Auflösung von unter 0,3 Nanometern. „Die hohe Präzision von GET-pMINFLUX öffnet die Tür zu neuen Ansätzen zur Verbesserung der superauflösenden Mikroskopie“, sagt Jonas Zähringer, Erstautor der Veröffentlichung.
Die Forscher nutzten dies auch, um die Geschwindigkeit der superauflösenden Mikroskopie weiter zu erhöhen. Zu diesem Zweck nutzten sie die DNA-Nanotechnologie, um den sogenannten L-PAINT-Ansatz zu entwickeln. Im Gegensatz zu DNA-PAINT, einer Technik, die Superauflösung durch Binden und Lösen eines mit einem Fluoreszenzfarbstoff markierten DNA-Strangs ermöglicht, hat der DNA-Strang in L-PAINT zwei Bindungssequenzen.
Darüber hinaus entwarfen die Forscher eine Bindungshierarchie, sodass der L-PAINT-DNA-Strang auf einer Seite länger bindet. Dadurch kann das andere Ende des Strangs die Molekülpositionen schnell lokal scannen.
„Das erlaubt nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch das schnellere Scannen dichter Cluster als die Verzerrungen, die durch thermische Drift entstehen“, sagt Tinnefeld. „Unsere Kombination aus GET-pMINFLUX und L-PAINT ermöglicht es uns, Strukturen und Dynamiken auf molekularer Ebene zu untersuchen, die für unser Verständnis biomolekularer Reaktionen in Zellen von grundlegender Bedeutung sind.“
Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Licht: Wissenschaft & Anwendungen.
Mehr Informationen:
Jonas Zähringer et al, Kombination von pMINFLUX, Graphen-Energietransfer und DNA-PAINT für nanometergenaue 3D-Superauflösungsmikroskopie, Licht: Wissenschaft & Anwendungen (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01111-8