Unter dem Mikroskop wird es bunt

124 Farben dank RGB-Technologie

26.06.2017 - Deutschland

Rot, Grün, Blau – standardmäßig können in der Fluoreszensmikroskopie maximal drei verschiedene Farben zeitgleich detektiert werden. Dank der neuen RGB-Nanotechnologie, können jetzt unter dem Mikroskop 124 virtuelle Farben generiert werden. Auf einem speziellen DNA-Gitter werden die drei Grundfarben in verschiedenen Mischungsverhältnissen angeordnet. So entstehen individuelle Farbpunkte unter dem Mikroskop. Diese neue Methode wurde von Forschern des Max-Planck-Institutes für Biochemie, der Ludwig-Maximilians-Universität München in Deutschland und Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering in den USA entwickelt.

In den letzten Jahrzehnten hat die biomedizinische Forschung enorme Fortschritte gemacht. Mithilfe neuster Mikroskope analysieren Wissenschaftler die Funktion und das Zusammenspiel von Molekülen in Zellen immer detailreicher. Jetzt suchen Forscher nach Methoden, um eine Vielzahl von Molekülen zeitgleich sichtbar zu machen.

RGB-Nanotechnologie

Ein Team von Wissenschaftlern aus Deutschland und Amerika, geleitet von Ralf Jungmann und Peng Yin, hat nun sogenannte Metafluorophore entwickelt. „Die Technologie kann man sich vergleichbar der eines RGB-Monitors vorstellen“, erklärt Jungmann, Leiter der Forschungsgruppe „Molekulare Bildgebung und Bionanotechnologie“. Um auf einem Bildschirm verschiedenste Farben darzustellen, werden diese aus den drei Grundfarben rot, grün und blau gemischt. „Wir haben diesen Ansatz auf die Nanometerskala transferiert. Anstelle eines einzelnen Fluoreszenzfarbmoleküls werden nun auf ein Trägermaterial – eine Art Steckplatte – mehrere Fluoreszensmoleküle aufgebracht. Je nach Anteil der drei Grundfarben erscheinen diese unter dem Mikroskop in unterschiedlichen Farben, vergleichbar mit einem farbigen Pixel in Nanometergröße auf einem Computerbildschirm.“

DNA-Origami

Für die Steckplatte nutzt das Team das sogenannte DNA-Origami. Dabei handelt es sich um selbstorganisierende DNA-Strukturen in Nanometergröße, die aus einem langen Gerüststrang bestehen. Der Strang faltet sich in vorprogrammierbarer Weise in eine zwei- oder dreidimensionale Form. Diese wird durch etwa 200 kurze Heftstränge stabilisiert, die verschiedene Teile des Gerüstes überbrücken. Die kleinen Farbsonden (standardmäßig werden rot, grün oder blau fluoreszierende verwendet) werden von den Forschern in die selbstfaltenden DNA-Strukturen integriert. Je nach Farbe wird die Anzahl der jeweils benötigten Farbsonden im Vorfeld berechnet. „Würden wir die Steckplattengröße, die nur 60 x 90 Nanometer klein ist, mit der eines Bildpunktes auf einem Full HD-Fernsehers vergleichen, dann wäre der gesamte Bildschirm ungefähr 0,2 x 0,1 mm groß“, erklärt Jungmann.

124 virtuelle Farben

Dieser nanotechnologische Ansatz bietet zurzeit eine Palette von 124 virtuellen Farben. „Diese Zahl kann in Zukunft angepasst werden“, sagt Yin, Fakultätsmitglied am Wyss Institute und Professor für Systembiologie an der Harvard Medical School. "Unsere Studie ermöglicht es Forschern, eine große Sammlung von Metafluorophoren mit genau abgestimmten optischen Eigenschaften zu konstruieren. Damit können sie dann eine Vielzahl von Molekülen in einer Probe sichtbar machen, wie z.B. spezifische DNA- oder RNA-Sequenzen“, fasst Yin zusammen.

„Aktuell sind die DNA-Origami-Strukturen noch zu sperrig, um in das Innere der Zelle zu diffundieren. Hier suchen wir noch nach Möglichkeiten, dass flexible, kurze DNA-Moleküle die Membranen von Zellen durchdringen können und erst ihre dreidimensionale Form annehmen, sobald sie ihr Ziel binden. Erste Schritte in diese Richtung haben wir in der Veröffentlichung bereits aufgezeigt", schaut Jungmann in die Zukunft.

Originalveröffentlichung

J.B. Woehrstein, M.T. Strauss, L.L. Ong, B. Wei, D. Y. Zang, R. Jungmann & Peng Ying; “Sub-100-nm metafluorophores with digitally tunable optical properties self-assembled from DNA”; Science Advances; Juni 2017

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