Gute Nachricht für Forschende, die mit hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie arbeiten. Forschende der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg haben den Türöffner zur Erforschung komplexer Prozesse in Zellen entwickelt: den PicoRuler. Damit stehen zur Kalibrierung neuester Super-Resolution-Methoden erstmals biokompatible molekulare Lineale bereit.
Neueste 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: die „Protein-based Imaging Calibration Optical Rulers“, kurz PicoRuler. Diese neuartigen biokompatiblen molekulare Lineale, die sich in der Fluoreszenzmikroskopie als präzise biomolekulare Referenzstrukturen nutzen lassen, stellten die Forschenden im Journal Advanced Materials vor.
Technologische Meisterleistung: Präzision auf molekularer Ebene
Durch die Erweiterung des genetischen Codes und Click-Chemie ist es dem Team gelungen, diese maßgeschneiderten molekularen Lineale zu konstruieren. 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.
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.“
Starkes Potenzial für zukünftige Anwendungen
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.
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.