Флуоресцентная метка из ДНК с уникальным разрешением для микроскопии единичных молекул

Для визуализации биологических молекул и комплексов исследователи используют флуоресцентные метки. Идеальный флуоресцентный зонд одновременно и фотостабилен (имеет длительный период полураспада при экспозиции на свету), и небольшой по размеру, и легко прикрепляем к биологическим макромолекулам. Широко используемые органические красители и флуоресцентные белки соответствуют двум последним критериям, но подвержены быстрому фотообесцвечиванию — разрушению флуорофора на свету. Альтернативные зонды, такие как квантовые точки и флуоресцентные наночастицы, чрезвычайно фотостабильны, но обладают относительно большим размером, поэтому их использование может нарушать функцию белка. Ученые из США разработали небольшие (размер около 6 нм) молекулы ДНК-FluoroCube, схожие по размеру с зеленым флуоресцентным белком, но в 54 раза более устойчивые к фотообесцвечиванию и испускающие в 43 раза больше фотонов, чем органические красители.

ДНК-FluoroCube состоит из четырех спиралей двухцепочечной ДНК длиной 16 пар оснований, помеченных шестью молекулами органического красителя. Авторы размещали на углах похожей на куб конструкции метки ATTO 488, ATTO 565, ATTO 647N, Cy3N (сульфированный Cy3), Cy3 и Cy5, метки находились на расстоянии в диапазоне от 2 до 6 нм. Также на “кубе” из ДНК находится одна позиция для размещения функциональной метки для связывания конструкции с белком, например, HALO-лиганда, бензилгуанина или биотина.

Исследователи показали, что ДНК-FluoroCube с метками ATTO 647N и Cy3N одновременно и имеют самый длинный период полураспада, и излучают наибольшее количество фотонов. Выяснилось, что даже у самого неэффективного типа ДНК-FluoroCube (с красителем ATTO 488) период полураспада в десять раз больше, чем у отдельного органического красителя, а количество испускаемых фотонов у него больше в 6 раз. Далее авторы статьи применили ДНК-FluoroCube ATTO 647N для визуализации движения моторного белка кинезина с нанометровой точностью. Ученым удалось сделать более 6000 последовательных снимков передвижения белка, тогда как при помощи обычного красителя удавалось получить только около 200 снимков.

Фотостабильность ДНК-FluoroCube, по-видимому, связана с локальным окружением ДНК и расстоянием между шести молекулами красителя. Эффект повышения фотостабильности исчезает, когда расстояние между красителями увеличивается от ~ 2–6 нм до ~ 6–10 нм в аналогичном каркасе на основе ДНК.

Ожидается, что ДНК-FluoroCube найдут свое применение для экспериментов по визуализации единичных молекул в нанометровом разрешении.