PicoRuler: Molekulare Lineale für die hochauflösende Mikroskopie

Neuste Super-Resolution-Mikroskopie-Methoden erreichen mittlerweile eine optische Auflösung im Bereich von wenigen Nanometern. Das entspricht einer Auflösung im Bereich der Größe zellulärer Moleküle. Welche Auflösung an zellulären Bausteinen wie Multiproteinkomplexen damit aber tatsächlich erreicht wird, war bisher nicht überprüfbar – denn es gab keine biomolekularen Referenzsysteme, die mit Farbstoffen an genau definierten Positionen im Abstand von wenigen Nanometern markiert werden konnten.

Für einen Wendepunkt hat nun ein Team um Dr. Gerti Beliu und Professor Markus Sauer vom Rudolf-Virchow-Zentrum – Center for Integrative and Translational Bioimaging der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg gesorgt. Im Journal Advanced Materials präsentieren sie neuartige biokompatible molekulare Lineale, die „Protein-based Imaging Calibration Optical Rulers“, kurz PicoRuler.

Durch die Erweiterung des genetischen Codes und Click-Chemie ist es dem Team gelungen, diese maßgeschneiderten molekularen Lineale zu konstruieren. Sie lassen sich in der Fluoreszenzmikroskopie als präzise biomolekulare Referenzstrukturen nutzen.

Technologische Meisterleistung: Präzision auf molekularer Ebene

Die PicoRuler basieren auf dem dreiteiligen Protein PCNA (Proliferating-Cell-Nuclear-Antigen), das eine zentrale Rolle bei der DNA-Replikation und -Reparatur spielt. Durch die präzise Einführung unnatürlicher Aminosäuren an exakt definierten Positionen wurde dieses Protein so modifiziert, dass man an ihm gezielt Fluoreszenzfarbstoffe oder andere Moleküle mit minimalem Abstandsfehler anklicken kann.

Das versetzt Forschende in die Lage, die Auflösung neuster Super-Resolution-Mikroskopie-Methoden mit bisher unerreichter Präzision an einem genau definierten zellulären Biomolekül zu überprüfen.

Markus Sauer ist begeistert: „Die Fähigkeit, echte biologische Strukturen auf Sub-10-Nanometer-Ebene aufzulösen, markiert eine neue Ära in der biologischen Bildgebung. Im Vergleich zu bisher genutzten artifiziellen Makromolekülen zeichnen sich unsere PicoRuler nicht nur durch ihre biologische Kompatibilität aus. Sie ermöglichen auch eine unvergleichliche Präzision zur Überprüfung des Auflösungsvermögen unter realistischen Bedingungen.“

Türöffner zur Erforschung komplexer Prozesse in Zellen

Die Anwendung dieser Technologie erstreckt sich weit über die traditionellen Grenzen der Mikroskopie hinaus. „Unsere PicoRuler sind nicht nur ein Werkzeug für präzisere Messungen, sondern öffnen auch die Tür zu einer tieferen und detaillierteren Untersuchung komplexer Prozesse, die innerhalb unserer Zellen ablaufen", erläutert Gerti Beliu.

Starkes Potenzial für zukünftige Anwendungen

Die weitere Entwicklung der PicoRuler kann die biologische und medizinische Bildgebung mit molekularer Auflösung nachhaltig verändern. Sie ermöglichen erstmals, das Auflösungspotential neuer Super-Resolution-Mikroskopie-Methoden an biologischen Proben zu validieren und zu verbessern. Damit sind sie ein wertvolles Werkzeug zur zukünftigen Aufklärung der molekularen Organisation und Wechselwirkung von Biomolekülen in Zellen.

Publikation

PCNA as protein-based nanoruler for sub-10 nm fluorescence imaging. Advanced Materials, 27. November 2023, Open Access: https://doi.org/10.1002/adma.202310104

Kontakt

Dr. Gerti Beliu, Rudolf-Virchow-Zentrum – Center for Integrative and Translational Bioimaging, Universität Würzburg, T +49 931 31-89733, gerti.beliu@uni-wuerzburg.de