PicoRuler: Molekulare Lineale für die hochauflösende Mikroskopie

Türöffner zur Erforschung komplexer Prozesse in Zellen

04.12.2023

PicoRuler: Molekulare Lineale auf Proteinbasis ermöglichen es, die optische Auflösung neuster Super-Resolution-Mikroskopie-Methoden an Biomolekülen im Sub-10-Nanometer-Bereich unter realistischen Bedingungen zu überprüfen.

Gerti Beliu / DALL-E 3 Universität Würzburg

Gute Nachricht für Forschende, die mit hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie arbeiten: Zur Kalibrierung neuster Super-Resolution-Methoden stehen erstmals biokompatible molekulare Lineale bereit.

Neuste Super-Resolution-Mikroskopie-Methoden erreichen mittlerweile eine optische Auflösung im Bereich von wenigen Nanometern. Das entspricht einer Auflösung im Bereich 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 ein Team um Dr. Gerti Beliu und Professor Markus Sauer vom Rudolf-Virchow-Zentrum – Center for Integrative and Translational Bioimaging der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg gesorgt. Im Journal Advanced Materials präsentieren sie neuartige biokompatible molekulare Lineale, die „Protein-based Imaging Calibration Optical Rulers“, kurz PicoRuler.

(a) Dreidimensionale Ex-dSTORM von 3,2-fach expandierten Zentriolen. Messbalken ein Mikrometer. (b) Der vergrößerte Ausschnitt aus (a) zeigt die neunfache Symmetrie der Prozentriole. Messbalken 500 Nanometer. (c) Dreidimensionale Ex-dSTORM von 3,1-fach expandierten Tubulinfilamenten. Messbalken zwei Mikrometer. (d) Die Vergrößerung aus (c) zeigt ein Tubulinfilament; Messbalken 500 Nanometer. (e) Der Querschnitt eines Tubulinfilaments zeigt dessen hohle Struktur. Messbalken 200 Nanometer.

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Durch die Erweiterung des genetischen Codes und Click-Chemie ist es dem Team gelungen, diese maßgeschneiderten molekularen Lineale zu konstruieren. Sie lassen sich in der Fluoreszenzmikroskopie als präzise biomolekulare Referenzstrukturen nutzen.

Technologische Meisterleistung: 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. Durch die präzise Einführung unnatürlicher Aminosäuren an exakt definierten Positionen wurde dieses Protein so modifiziert, dass man an ihm gezielt Fluoreszenzfarbstoffe oder andere Moleküle mit minimalem Abstandsfehler anklicken kann.

Das versetzt Forschende in die Lage, die Auflösung neuster Super-Resolution-Mikroskopie-Methoden mit bisher unerreichter Präzision an einem genau definierten zellulären Biomolekül zu überprüfen.

Markus Sauer ist begeistert: „Die Fähigkeit, echte biologische Strukturen auf Sub-10-Nanometer-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.

Starkes Potenzial für zukünftige Anwendungen

Die weitere Entwicklung der PicoRuler kann die biologische und medizinische Bildgebung mit molekularer Auflösung nachhaltig verändern. Sie ermöglichen erstmals, das Auflösungspotential neuer Super-Resolution-Mikroskopie-Methoden 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.

Originalveröffentlichung

Dominic A. Helmerich, Made Budiarta, Danush Taban, Sören Doose, Gerti Beliu, Markus Sauer; "Pcna as Protein‐Based Nanoruler for Sub‐10 Nm Fluorescence Imaging"; Advanced Materials, 2023-11-27

https://www.bionity.com/de/news/1182176/picoruler-molekulare-lineale-fuer-die-hochaufloesende-mikroskopie.html

Originalveröffentlichung

Dominic A. Helmerich, Made Budiarta, Danush Taban, Sören Doose, Gerti Beliu, Markus Sauer; "Pcna as Protein‐Based Nanoruler for Sub‐10 Nm Fluorescence Imaging"; Advanced Materials, 2023-11-27

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