Os pesquisadores estão constantemente expandindo seu arsenal de métodos para decifrar a organização espacial das estruturas biológicas. Usando microscópios, eles agora podem visualizar componentes macromoleculares individuais dentro do DNA, proteína, ou outros complexos. Contudo, esta resolução normalmente requer equipamentos sofisticados aplicados a amostras especialmente processadas, e é difícil observar simultaneamente muitos tipos de moléculas, especialmente em alta densidade e rendimento, ou interações dinâmicas.

Contornando a necessidade de microscópios caros, algumas abordagens bioquímicas recentes anexam sondas de DNA com código de barras a alvos moleculares e, em seguida, fundem os pares próximos, frequentemente por ligação de DNA. Esses "registros" de DNA são lidos posteriormente para análise. Como esses métodos destroem as sondas de DNA no processo de emparelhamento, Contudo, as informações adquiridas de cada alvo molecular não podem incluir mais de uma interação, nem múltiplo de uma vez nem um mudando ao longo do tempo. Tais métodos podem limitar severamente a qualidade de qualquer reconstrução computacional subsequente, e tornar impossível a reconstrução de complexos individuais.

Para superar essas limitações, uma equipe do Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia de Harvard liderada pelo membro do corpo docente Peng Yin, Ph.D., agora desenvolveu um método baseado em nanotecnologia de DNA que permite a repetição, gravação não destrutiva de pares moleculares com códigos de barras exclusivos, renderizando uma visão detalhada de seus componentes e geometrias. No futuro, a abordagem pode ajudar os pesquisadores a entender como as mudanças nos complexos moleculares controlam os processos biológicos nas células vivas. O estudo é publicado em Nature Communications .

"Nosso método, que chamamos de "Gravação de proximidade com ciclo automático" (APR), essencialmente atua como um gravador bioquímico contínuo das estruturas moleculares, "disse Yin, que também é professor de Biologia de Sistemas na Harvard Medical School. "O APR nos permite olhar para muitas proximidades simultaneamente e repetidamente, e com perturbação mínima para a estrutura. Ao avaliar o complemento total de todos esses pares em muitos ciclos, podemos criar uma visão detalhada de uma estrutura molecular e até mesmo observar diferentes estados estruturais dos mesmos alvos. "

Como prova de princípio, a equipe projetou várias sondas de DNA in silico, e sintetizado e anexado a alvos moleculares contidos nas geometrias prescritas de nanoestruturas de origami de DNA. Por meio deste recém-projetado, Mecanismo bioquímico dirigido por DNA, um registro na forma de uma fita de DNA com código de barras é sintetizado na estrutura se e somente se duas dessas sondas de DNA estiverem suficientemente próximas uma da outra ("registro de proximidade"). Os registros são lançados à medida que são sintetizados, e posteriormente coletados para análise de sequência.

Ao contrário de outros métodos bioquímicos, cada alvo APR individual pode render mais de 30 registros de DNA ("ciclagem automática"), permitindo uma coleta de dados robusta. Depois de coletar todos os registros de DNA, a equipe compilou suas sequências e reconstruiu com sucesso a geometria das nanoestruturas sintéticas. Assim, a abordagem funciona como um 'nanoscópio de DNA', que usa bioquímica de DNA especificamente projetada para visualizar pares de alvos em um objeto molecular. Expandindo esses novos recursos, os pesquisadores de Wyss foram até mesmo capazes de documentar mudanças no estado de nanoestruturas individuais, levantando a possibilidade de que a abordagem poderia ser usada para correlacionar transições estruturais em complexos moleculares com suas funções biológicas.

"Ao usar anticorpos e outros agentes amplamente utilizados para direcionar sondas de DNA para alvos moleculares, poderíamos aplicar a tecnologia APR para decodificar os componentes e geometrias de complexos biológicos, "disse Thomas Schaus, M.D., Ph.D., um cientista da equipe do Wyss Institute que, como o primeiro autor do estudo, juntamente com Yin, desenvolveu o APR. "O fato de os registros de DNA individuais conterem registros únicos, códigos de barras sequenciáveis ​​e que o método é escalonável podem nos permitir seguir um dia, individualmente, milhares ou milhões de macromoléculas em uma via bioquímica. "

"O desenvolvimento do APR como um meio nanotecnológico para decifrar estruturas moleculares sem a necessidade de microscópios elaborados e caros realmente ilustra como a iniciativa de Robótica Molecular recentemente lançada do Wyss Institute pode impactar a pesquisa e desenvolvimento de biologia estrutural em muitos laboratórios, "disse o Diretor Fundador do Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., Ph.D., que também é o professor Judah Folkman de Biologia Vascular no HMS e do Programa de Biologia Vascular no Hospital Infantil de Boston, bem como Professor de Bioengenharia na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson.