Mikroskopie: Höchste Auflösung in drei Dimensionen

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Superauflösende Mikroskopiemethoden sind essenziell, um Strukturen und Dynamik von Molekülen aufzudecken. Seit Forschende die lange als fundamental geltende Auflösungsgrenze von etwa 250 Nanometern überwunden haben (dafür gab es 2014 den Nobelpreis für Chemie), haben sich die Methoden in der Mikroskopie rasant weiterentwickelt. Nun hat ein Team um den LMU-Chemiker Prof. Philip Tinnefeld durch die Kombination verschiedener Methoden einen weiteren Fortschritt erzielt, der höchste Auflösung im dreidimensionalen Raum erreicht und einen fundamental neuen Ansatz für das schnellere Abbilden dichter molekularer Strukturen ermöglicht. Die neue Methode ermöglicht eine axiale Auflösung von weniger als 0,3 Nanometer.

Die Forschenden kombinierten die von Tinnefelds Team entwickelte sogenannte pMINFLUX-Methode mit einem Ansatz, der besondere Eigenschaften von Graphen als Energieakzeptor nutzt. pMINFLUX basiert darauf, dass die Fluoreszenzintensität von durch Laserpulse angeregten Molekülen gemessen wird. Die Methode ermöglicht es, deren laterale Abstände mit einer Auflösung von nur 1 Nanometer zu unterscheiden. Graphen absorbiert die Energie eines fluoreszierenden Moleküls, wenn dieses nicht mehr als 40 Nanometer von seiner Oberfläche entfernt ist. Die Fluoreszensintensität des Moleküls hängt dann von seiner Entfernung zu Graphen ab und kann zur axialen Abstandsmessung genutzt werden.

Schnellere Messung mit L-PAINT

Die Kombination von pMINFLUX mit diesem sogenannten Graphen-Energie-Transfer (GET) liefert daher Informationen zu Molekülabständen in allen drei Dimensionen – und zwar in höchster Auflösung von unter 0,3 Nanometer. „Die hohe Präzision von GET-pMINFLUX ermöglicht neue Ansätze, um die Superauflösungsmikroskopie zu verbessern“, sagt Jonas Zähringer, Erstautor der Publikation.

Dies nutzten die Forschenden, um auch die Geschwindigkeit der Superauflösungsmikroskopie weiter zu erhöhen. Dazu entwickelten sie mithilfe von DNA-Nanotechnologie den sogenannten L-PAINT-Ansatz. Im Gegensatz zu DNA-PAINT, einer Technik, bei der durch An- und Abbinden eines mit Fluoreszenzfarbstoff markierten DNA-Strangs Superauflösung ermöglicht wird, hat der DNA-Strang bei L-PAINT zwei Bindesequenzen. Zusätzlich designten die Forschenden eine Bindungshierarchie, sodass der L-PAINT-DNA-Strang auf einer Seite länger bindet. Dadurch kann das andere Ende des Strangs die Molekülpositionen lokal schnell abrastern.

„Dies erhöht nicht nur die Geschwindigkeit, sondern ermöglicht das Abtasten von dichten Clustern schneller als Störungen durch thermische Drift“, so Tinnefeld. „Die Kombination mit GET-pMINFLUX und L-PAINT ermöglicht es uns, Strukturen und Dynamiken auf molekularer Ebene zu untersuchen, die fundamental für unser Verständnis von biomolekularen Reaktionen in Zellen sind.“

Jonas Zähringer, Fiona Cole, Johann Bohlen, Florian Steiner, Izabela Kamińska, Philip Tinnefeld: Combining pMINFLUX, Graphene Energy Transfer and DNA-PAINT for Nanometer Precise 3D Super-Resolution Microscopy. Light: Science & Applications 2023