Durch einen winzigen DNA-Rotor können Mikroskope die Transkription von Genen nach einem Basenpaar auf einmal verfolgen

Wissenschaftler des Salk-Instituts haben eine bahnbrechende Technik entwickelt, bei der DNA-Origami verwendet wird, um molekulare Bewegungen mit beispiellosem Detail zu beobachten, so dass Forscher die Gentranskription auf der Ebene einzelner Basenpaare über längere Zeiträume verfolgen können. Diese Innovation, bekannt als ORBIT (Optical Readout of Base-pair Interactions via Tagging), ermöglicht es der Fluoreszenzmikroskopie, die Aktivität der RNA-Polymerase, eines entscheidenden Enzyms, das für die Transkription genetischer Informationen verantwortlich ist, zu überwachen, während es entlang der DNA-Stränge liest.

Der Kern der Methode ist eine "Dye-Cycling"-Strategie, die kontinuierlich die an DNA-Strukturen befestigten Fluoreszenz-Tags auffüllt. Die traditionelle Fluoreszenz-Mikroskopie sieht sich aufgrund der allmählichen Verdunkelung der Fluoreszenz-Marker im Laufe der Zeit mit Einschränkungen konfrontiert, die die Beobachtungsfenster auf wenige Sekunden beschränken. Durch die Entwicklung eines Systems, das eine konstante Beleuchtung aufrechterhält, erweiterte das Salk-Team diese Messungen auf mehrere Stunden. Dieser Durchbruch ermöglicht die Visualisierung der Bewegung der RNA-Polymerase, wenn sie durch die DNA fährt, und zeigt ihr Verhalten in einer bisher unerreichbaren Auflösung.

Die Technik basiert auf den Prinzipien des DNA-Origami, einer Methode, die die inhärenten Eigenschaften der DNA nutzt, um komplexe Nanostrukturen zu konstruieren. Diese Strukturen werden durch die Selbstmontage von DNA-Strängen gebildet, die von der spezifischen Paarung von Nukleotiden, Adenin mit Thymin und Cytosin mit Guanin geleitet werden. Dieser Prozess ermöglicht die Erstellung komplexer Formen und Muster im Nanometrischen Maßstab und bietet ein Maß an Präzision, das traditionelle Herstellungsverfahren nicht erreichen können. Pallav Kosuri, Assistenzprofessor an der Salk und leitender Forscher hinter dem Projekt, betonte die Bedeutung des Studiums der molekularen Bewegung zusätzlich zu chemischen Reaktionen.

"Wenn man nicht weiß, wie sich etwas bewegt, weiß man auch nicht, was es tut", erklärte er. Die Arbeit seines Teams zielt darauf ab, die Lücke zwischen den gut kartierten chemischen Prozessen innerhalb der Zellen und den weniger verständlichen mechanischen Aspekten der molekularen Funktion zu schließen. ORBIT verwendet eine Kombination aus DNA-Origami und fluoreszierender Kennzeichnung, um Nanostrukturen zu schaffen, die sowohl als Gerüste als auch als Sensoren fungieren.

Diese Anordnung übersetzt die mechanischen Aktionen des Enzyms effektiv in beobachtbare Veränderungen der Lichtintensität, wodurch es möglich wird, den Transkriptionsprozess in Echtzeit zu verfolgen. Die Implikationen dieser Forschung gehen über die Grundlagenwissenschaft hinaus. Das Verständnis, wie RNA-Polymerase auf einer so detaillierten Ebene funktioniert, könnte die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien für Krankheiten im Zusammenhang mit fehlerhafter Gentranskription beeinflussen. Zusätzlich eröffnet die Methode Möglichkeiten zur Erforschung anderer molekularer Interaktionen, die während zellulärer Prozesse auftreten, was möglicherweise zu Fortschritten in Arzneimittelabgabe-Systemen und Diagnosetools führt.

Kosuri's Arbeit mit DNA-Origami hat bereits außerhalb der akademischen Kreise Aufmerksamkeit erregt. Er arbeitete mit dem Ingenieur Mark Rober zusammen, um die weltweit kleinste Nerf-Kanone mit DNA-basierten Strukturen zu konstruieren und ein Bildungsvideo zu erstellen, das online Millionen von Ansichten auf sich zog. Solche Projekte unterstreichen die Vielseitigkeit von DNA-Origami und ihr Potenzial, ein breiteres Publikum in die wissenschaftliche Erforschung einzubeziehen.

Zukünftige Studien könnten sich darauf konzentrieren, die Technik auf verschiedene Arten von Enzymen und zelluläre Umgebungen anzuwenden, um ihren Nutzen sowohl in der Grundlagenforschung als auch in angewandten biomedizinischen Kontexten zu erweitern. Die Fähigkeit, die molekulare Dynamik mit solcher Klarheit zu visualisieren, ist ein bedeutender Schritt zur Aufdeckung der komplizierten Mechanismen, die das Leben auf der grundlegendsten Ebene bestimmen.