Mikroskopie: Senkrechte DNA in Bewegung

Für fundamentale Prozesse des Lebens wie die Replikation, Transkription oder Reparatur von DNA spielt das komplexe Zusammenspiel zwischen der DNA und Proteinen eine entscheidende Rolle. Ein Team um den LMU-Chemiker Professor Philip Tinnefeld hat nun eine neue fluoreszenzmikroskopische Methode entwickelt, mit der dynamische Änderungen der DNA-Struktur und deren Interaktion mit Proteinen mit einer räumlichen Auflösung bis in den Ångström-Bereich bei einer zeitlichen Auflösung unter einer Sekunde sichtbar gemacht werden können.

Dafür nutzten die Forschenden die Kombination zweier Effekte: Zum einen können sie den Abstand eines Farbstoffmoleküls zu einer Graphen-Oberfläche messen, weil der Farbstoff umso dunkler erscheint – beziehungsweise eine kürzere Fluoreszenzlebensdauer aufweist –, je näher er am Graphen liegt. Zum anderen ist es ihnen gelungen, die DNA so auf dem Graphen zu immobilisieren, dass die DNA-Stränge senkrecht stehen.

„Damit kennen wir bei der Messung die Orientierung der DNA im Raum“, erklärt Tinnefeld. Aus den Änderungen der Helligkeit des Farbstoffs können die Forschenden dann strukturelle Änderungen der DNA oder auch Bewegungen von Proteinen entlang der DNA erkennen. „Das kann die Analyse fundamentaler Prozesse wie DNA-Reparaturmechanismen und andere wichtige Anwendungen entscheidend voranbringen“, sagt Tinnefeld. „Unsere Methode hat das Potenzial, sich zu einer weit verbreiteten Technik zu entwickeln und neue Möglichkeiten im Bereich Strukturbiologie, für Biosensorik sowie für verwandte 2D-Materialien zu erschließen.“

A.M. Szalai, G. Ferrari, L. Richter et. al: Single-Molecule Dynamic Structural Biology with Vertically Arranged DNA on a Fluorescence Microscope. Nature Methods 2024