Winzige aufleuchtende Barcodes identifizieren Moleküle durch ihr Funkeln

Tags aus blinkender DNA lassen Forscher Dutzende von Molekülen auf einmal auseinanderziehen

16.04.2019

Shalin Shah, Duke University

Diese winzigen Lichtpunkte könnten aussehen wie Sterne, die am Himmel funkeln. Aber in Wirklichkeit sind es verschiedene Moleküle der aufleuchtenden DNA, die immer wieder blinken, wenn sie unter dem Mikroskop an- und abbinden.

Eine an der Duke University entwickelte bildgebende Technik könnte es ermöglichen, in die Zellen zu schauen und Dutzende verschiedener Moleküle gleichzeitig in Aktion zu sehen - indem man sie mit kurzen Strängen aufleuchtender DNA markiert, die mit ihrem eigenen, einzigartigen Rhythmus ein- und ausblinken.

"Die Idee ist, dass alles seinen eigenen Herzschlag hat", sagte Erstautor Shalin Shah, Doktorand in Elektro- und Informationstechnik und Informatik am Herzog. "Wir nennen diese Zeitsignale 'zeitliche Barcodes'."

Wenn sie an Zellen oder andere Objekte gebunden und für genügend Zeit beobachtet werden, könnten diese Barcodes verwendet werden, um eine beliebige Anzahl von Dingen auf molekularer Ebene zu erkennen und zu unterscheiden - einschließlich bestimmter Proteine, die unter den Zehntausenden versteckt sind und die der menschliche Körper zum Funktionieren und Wachstum benötigt.

Die Technik funktioniert unter Verwendung der flüchtigen Wechselwirkungen zwischen zwei komplementären DNA-Strängen, wenn sie in Lösung kollidieren. Ein Strang ist an ein Molekül gebunden, das die Forscher untersuchen wollen. Die andere ist frei schwebend und trägt einen fluoreszierenden Farbstoff, der aufleuchtet, wenn sich die beiden Stränge paarweise verbinden, und dann dunkel wird, wenn sie auseinander fallen. Bei der Betrachtung unter dem Mikroskop im Laufe der Zeit erzeugt das Binden und Entbinden ein ausgeprägtes Blinkmuster, das dekodiert wie ein Fingerabdruck wirkt.

Traditionelle Techniken unterscheiden Moleküle mit unterschiedlichen Farbstoffen oder alternativ mit einer Farbe für unterschiedlichen DNA-Sequenzen und schrittweisen bildgebenden Verfahren in Schritten, wobei sie von einem Ziel gelöst werden müssen, bevor sie das nächste nachweisen können. Shah und seine Kollegen sagen, dass sie es besser machen können.

In Zusammenarbeit mit dem Informatikprofessor John Reif und dem Postdoc Abhishek Dubey vom Oak Ridge National Laboratory erhöht der Ansatz des Teams die Anzahl der verschiedenen Signale, die mit einer einzigen Farbstofffarbe unterschieden werden können. Aber anstatt sich auf mehrere DNA-Sequenzen wie bei früheren einfarbigen Methoden zu verlassen, halten sie die Sequenz des freischwebenden Strangs gleich und optimieren stattdessen Dinge wie die Länge oder Anzahl der sich wiederholenden Sequenzen auf dem an das interessierende Molekül gebundenen Strang. Dadurch können sie Blitze mit unterschiedlichen Frequenzen, Dauer und Helligkeit erzeugen.

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