In seiner Studie stellt das Team einen neuen Ansatz in der Superauflösungsmikroskopie vor. Die als "Resolution Enhancement by Sequential Imaging", kurz RESI, bezeichnete Technik nutzt die Fähigkeit von "DNA-PAINT", die Identität von Zielobjekten durch eindeutige DNA-Sequenzen zu kodieren. Nahe aneinanderlegende Moleküle, die mit klassischer SMLM nicht aufgelöst werden können, werden durch unterschiedliche DNA-Sequenzen markiert. Dadurch entsteht ein zusätzliches Unterscheidungsmerkmal. Durch sequenzielle Bildgebung erst einer und dann der anderen Sequenz (und damit Molekül), können sie nun eindeutig getrennt und aufgelöst werden. Da sie nacheinander abgebildet werden, können die Ziele beliebig nahe beieinander liegen, was mit keiner anderen Technik möglich ist. Darüber hinaus erfordert RESI keine spezialisierten Mikroskope, es kann mit jedem Standard-Fluoreszenzmikroskop angewendet werden, was es für fast alle Forschende leicht zugänglich macht.

Das Team setzte die Technik RESI ein, um den Abstand zwischen einzelnen Basen entlang einer DNA-Doppelhelix, die weniger als einen Nanometer (ein milliardstel Meter) voneinander entfernt sind. In einer DNA-Origami-Nanostruktur, die einzelsträngige DNA-Sequenzen in einem Abstand von nur einem Basenpaar enthielt, konnte das Forschungsteam einen Abstand von 0,85 nm (oder 8,5 Ångström) zwischen benachbarten Basen auflösen. Den Forschenden gelang diese Messung mit einer Präzision von einem Ångström.

Die Technik ist universell einsetzbar. In einer anderen Anwendung untersuchte das Team den molekularen Wirkmechanismus von Rituximab, einem Anti-CD20 monoklonalen Antikörper, Die Untersuchung der Auswirkungen solcher Wirkstoffmoleküle auf molekulare Rezeptormuster übersteigt jedoch die räumliche Auflösung herkömmlicher Mikroskopietechniken. Zu verstehen, ob und wie sich solche Muster im Krankheitsfall sowie bei einer Behandlung verändern, ist nicht nur für die mechanistische Grundlagenforschung, sondern auch für die Entwicklung neuer zielgerichteter Krankheitstherapien von großer Bedeutung. Mit RESI konnten Jungmann und sein Team die natürliche Anordnung von CD20-Rezeptoren in unbehandelten Zellen als Dimere offenlegen und aufdecken, wie sich CD20 unter dem Einfluss des Wirkstoffs zu Ketten von Dimeren umorganisierte. Die Erkenntnisse auf der Einzelproteinebene helfen, die molekulare Wirkweise von Rituximab besser zu verstehen.

Da RESI in ganzen, intakten Zellen durchgeführt wird, schließt die Technik die Lücke zwischen rein strukturellen Methoden wie Röntgenkristallographie oder kryogener Elektronenmikroskopie und herkömmlichen bildgebenden Verfahren mit geringerer Auflösung für ganze Zellen. Jungmann und sein Team sind überzeugt: "Diese beispiellose Technik nicht nur für Superauflösung, sondern auch für die biologische Forschung insgesamt ein echter Game-Changer."

Publikation
Reinhardt, S.C.M., Masullo, L.A., Baudrexel, I. et al. Ångström-resolution fluorescence microscopy. Nature 617, 711–716 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05925-9

Quelle: Max-Planck-Institut für Biochemie