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#Neues aus der Industrie
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"DNA-Mikroskopie" bietet völlig neue Möglichkeiten zur Darstellung von Zellen
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Anstatt sich auf die Optik zu verlassen, bietet das Mikroskopsystem eine chemisch kodierte Möglichkeit, die relativen Positionen von Biomolekülen abzubilden
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Die Mikroskopie wurde gerade wieder neu erfunden.
Traditionell haben Wissenschaftler Licht, Röntgenstrahlen und Elektronen verwendet, um in Gewebe und Zellen zu schauen. Heute können Wissenschaftler fadenförmige Nervenfasern im ganzen Gehirn verfolgen und sogar beobachten, wie lebende Mausembryonen die schlagenden Zellen eines rudimentären Herzens beschwören.
Aber es gibt eine Sache, die diese Mikroskope nicht sehen können: Was in Zellen auf genomischer Ebene passiert.
Nun haben der Biophysiker Joshua Weinstein und Kollegen eine unorthodoxe Art der Bildgebung erfunden, die als "DNA-Mikroskopie" bezeichnet wird und genau das kann. Anstatt sich auf Licht (oder irgendeine Art von Optik) zu verlassen, verwendet das Team DNA-Barcodes, um die relativen Positionen von Molekülen innerhalb einer Probe zu lokalisieren.
Mit der DNA-Mikroskopie können Wissenschaftler ein Bild von Zellen erstellen und gleichzeitig enorme Mengen an genomischer Information sammeln, sagt Weinstein. "Das gibt uns eine weitere Ebene der Biologie, die wir nicht sehen konnten."
Weinstein, Howard Hughes Medical Institute (HHMI) Investigator Aviv Regev und die Molekularbiologin Feng Zhang, die 2018 als HHMI-Forscher ausgewählt wurde, berichten über die Arbeit am 20. Juni 2019 in der Zeitschrift Cell.
"Es ist eine völlig neue Kategorie der Mikroskopie", sagt Regev. "Es ist nicht nur eine neue Technik, es ist eine Art, Dinge zu tun, die wir noch nie zuvor in Betracht gezogen haben."
Etwas Neues
Bisher passte die Mikroskopie in zwei Hauptkategorien. Die erste basiert auf der Optik; die Lichtmikroskopie zum Beispiel stammt aus dem 16. Jahrhundert und basiert auf sichtbarem Licht, um Proben zu beleuchten. Wissenschaftler haben sich über diesen Ansatz aufgeregt und gehen sogar über das sichtbare Spektrum hinaus. Elektronenmikroskope, Fluoreszenzmikroskope, Lichtschnittmikroskope - sie alle basieren auf dem Prinzip, dass Proben Photonen oder Elektronen emittieren, und das Mikroskop erfasst die Emission.
Die zweite Kategorie basiert auf der Präparation von Proben an mikroskopisch definierten Stellen. Computerprogramme nähen dann jedes sezierte Stück zu einem vollständigen Bild der intakten Probe zusammen.
Die optische Bildgebung kann komplexe Porträts von subzellulärer Struktur und Wirkung bieten. Die sezierbasierte Mikroskopie kann den Wissenschaftlern genetische Informationen liefern. Weinstein und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology wollten alles in einem Zug machen - machen Sie eine Momentaufnahme der Position einer Zelle und beschreiben Sie die spezifischen genetischen Sequenzen, die sie antreiben.
Diese Kombination ist wichtig für Wissenschaftler, die genetisch verschiedene Zellgruppen untersuchen. Das Immunsystem ist ein perfektes Beispiel, sagt Weinstein. Gene von Immunzellen können bis zu einem einzigen Buchstaben DNA variieren. Jede Variation kann eine dramatische Veränderung der Art der Antikörper auslösen, die eine Zelle produziert. Wo sich diese Zelle innerhalb eines Gewebes befindet, kann auch die Antikörperproduktion verändern.
Wenn man sich auf das eine oder andere konzentriert, "bekommt man nur einen Teil des Bildes", sagt er.
So funktioniert es
Um ein so vollständiges Bild einer Zelle zu erhalten, ist kein teures Mikroskop oder eine Menge ausgefallener Geräte erforderlich, sagt Regev. Alles, was Sie für den Anfang benötigen, ist eine Probe und eine Pipette.
Zunächst nehmen die Wissenschaftler im Labor gezüchtete Zellen und fixieren sie in einer Reaktionskammer. Dann fügen sie eine Auswahl an DNA-Barcodes hinzu. Diese haften an RNA-Molekülen und verleihen jedem einen einzigartigen Tag. Als nächstes verwendet das Team eine chemische Reaktion, um immer mehr Kopien von jedem markierten Molekül anzufertigen - ein wachsender Haufen, der sich von der ursprünglichen Position jedes Moleküls aus erweitert.
"Stellen Sie sich jedes einzelne Molekül als einen Funkturm vor, der sein eigenes Signal nach außen sendet", sagt Weinstein.
Schließlich prallen die markierten Moleküle mit anderen markierten Molekülen zusammen und zwingen sie, sich paarweise zu verbinden. Moleküle, die nahe beieinander liegen, werden eher kollidieren und mehr DNA-Paare erzeugen. Moleküle, die weiter auseinander liegen, erzeugen weniger Paare.
Eine DNA-Sequenzierungsmaschine schreibt die Buchstaben jedes Moleküls innerhalb der Probe heraus, was bis zu 30 Stunden dauert. Ein vom Team entwickelter Algorithmus entschlüsselt dann die Daten - die im Papier etwa 50 Millionen DNA-Buchstaben von Gensequenzen aus jeder Originalprobe darstellen - und wandelt die Rohdaten in Bilder um.
"Man ist im Grunde genommen in der Lage, genau das zu rekonstruieren, was man unter einem Lichtmikroskop sieht", sagt Weinstein.
Die beiden Methoden ergänzen sich, fügt er hinzu. Die Lichtmikroskopie kann Moleküle auch dann gut sehen, wenn sie innerhalb einer Probe spärlich sind, und die DNA-Mikroskopie zeichnet sich dadurch aus, dass die Moleküle dicht sind - sogar übereinander gestapelt.
Er glaubt, dass die DNA-Mikroskopie eines Tages Wissenschaftler die Entwicklung von Immuntherapien beschleunigen könnte, die dem Immunsystem von Patienten helfen, Krebs zu bekämpfen. Das Verfahren könnte potenziell die Immunzellen identifizieren, die am besten geeignet sind, eine bestimmte Krebszelle anzugreifen, sagt er.
Jede Zelle hat eine einzigartige Zusammensetzung aus DNA-Buchstaben oder Genotyp, sagt Zhang. "Durch die Erfassung von Informationen direkt von den untersuchten Molekülen eröffnet die DNA-Mikroskopie eine neue Möglichkeit, Genotyp und Phänotyp zu verbinden."
Die Möglichkeiten mit dieser Kategorie der Mikroskopie sind weit offen, ergänzt Regev. "Wir hoffen, dass es die Fantasie anregt, dass die Menschen mit großartigen Ideen inspiriert werden, an die wir nie gedacht haben."
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