Исследователи постоянно расширяют арсенал методов расшифровки пространственной организации биологических структур. Используя микроскопы, они теперь могут визуализировать отдельные макромолекулярные компоненты ДНК, белков или других комплексов. Однако для такого разрешения обычно требуется сложное оборудование, применяемое к специально обработанным образцам, и трудно одновременно наблюдать за многими типами молекул, особенно при высокой плотности и пропускной способности, или за динамическими взаимодействиями..
Чтобы обойти потребность в дорогих микроскопах, некоторые современные биохимические подходы прикрепляют ДНК-зонды со штрих-кодом к молекулярным мишеням, а затем соединяют их в соседних парах вместе, часто путем лигирования ДНК. Эти «записи» ДНК позже считываются для анализа. Однако, поскольку эти методы разрушают ДНК-зонды в процессе спаривания, информация, полученная от каждой молекулярной мишени, не может включать более одного взаимодействия, ни нескольких одновременно, ни одного, изменяющегося во времени. Такие методы могут сильно ограничить качество любой последующей вычислительной реконструкции и сделать реконструкцию отдельных комплексов невозможной.
Чтобы преодолеть эти ограничения, команда Гарвардского института биологической инженерии им. D., в настоящее время разработал метод, основанный на ДНК-нанотехнологиях, который позволяет повторять неразрушающую запись молекулярных пар с уникальным штрих-кодом, предоставляя детальное представление об их компонентах и геометрии. В будущем этот подход может помочь исследователям понять, как изменения в молекулярных комплексах контролируют биологические процессы в живых клетках. Исследование опубликовано в Nature Communications.
«Наш метод, который мы называем «Автоциклическая запись близости» (APR), по существу действует как непрерывный биохимический регистратор молекулярных структур», - сказал Инь, который также является профессором системной биологии в Гарвардской медицинской школе.. «APR позволяет нам одновременно и многократно рассматривать множество близостей и с минимальным нарушением структуры. Оценивая полный набор всех таких пар во многих циклах, мы можем создать детальное представление о молекулярной структуре и даже наблюдать различные структурные состояния. те же цели."
В качестве подтверждения принципа команда разработала несколько ДНК-зондов in silico, синтезировала и прикрепила их к молекулярным мишеням, содержащимся в наноструктурах ДНК-оригами заданной геометрии. Благодаря этому недавно разработанному биохимическому механизму, управляемому ДНК, запись в виде цепочки ДНК со штрих-кодом синтезируется в структуре тогда и только тогда, когда два из этих ДНК-зондов находятся достаточно близко друг к другу («запись близости»).. Записи выпускаются по мере их синтеза, а затем собираются для анализа последовательности.
В отличие от других биохимических методов, каждая отдельная мишень APR может давать более 30 записей ДНК («автоциклирование»), что позволяет собирать надежные данные. Собрав все записи ДНК, команда скомпилировала их последовательности и успешно реконструировала геометрию синтетических наноструктур. Таким образом, подход функционирует как «ДНК-наноскоп», который использует специально разработанную биохимию ДНК для визуализации пар-мишеней в молекулярном объекте. Расширяя эти новые возможности, исследователи Wyss даже смогли задокументировать изменения в состоянии отдельных наноструктур, что повысило вероятность того, что этот подход можно будет использовать для корреляции структурных переходов в молекулярных комплексах с их биологическими функциями.
«Используя антитела и другие широко используемые агенты для направления зондов ДНК к молекулярным мишеням, мы могли бы применить технологию APR для расшифровки компонентов и геометрии биологических комплексов», - сказал Томас Шаус, доктор медицины, доктор философии, Научный сотрудник Института Висса, который в качестве первого автора исследования вместе с Инь разработал APR. «Тот факт, что отдельные записи ДНК несут уникальные штрих-коды с последовательностью и масштабируемость метода, может позволить нам однажды проследить по отдельности тысячи или миллионы макромолекул в биохимическом пути».
«Разработка APR как нанотехнологического средства для расшифровки молекулярных структур без необходимости использования сложных и дорогих микроскопов действительно иллюстрирует, как недавно запущенная инициатива Molecular Robotics Института Висса может повлиять на исследования и разработки в области структурной биологии во многих лабораториях», - сказал он. Директор-основатель Института Висса Дональд Ингбер, доктор медицины, доктор философии, который также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкмана в HMS и программы сосудистой биологии в Бостонской детской больнице, а также профессором биоинженерии в Гарвардском университете Джона А. Школа инженерии и прикладных наук Полсона.