Was wie ein Kaleidoskop aus leuchtenden Eiscremestreuseln oder eine Kreuzung zwischen einem Nebel und einer Tanzparty der 1980er Jahre aussieht, ist noch erstaunlicher: eine uneingeschränkte und detaillierte Ansicht der genauen Positionen von DNA und RNA in einer lebenden Zelle.
Die Methode, die die Türen für diesen beispiellosen Blick in lebende Zellen öffnete - bekannt als DNA-Mikroskopie - wurde laut einer neuen Studie über einen Zeitraum von sechs Jahren perfektioniert.
"Die DNA-Mikroskopie ist eine völlig neue Methode zur Visualisierung von Zellen, die sowohl räumliche als auch genetische Informationen gleichzeitig von einer einzelnen Probe erfasst", sagte der leitende Forscher der Studie, Joshua Weinstein, Postdoktorand am Broad Institute of MIT, in einer Erklärung.
Die Technik ermöglicht es Forschern sogar, die genaue Reihenfolge der Nukleotide, die "Buchstaben", aus denen die Doppelhelix der DNA und der Einzelstrang der RNA bestehen, in jeder Zelle zu sehen.
"So können wir sehen, wie genetisch einzigartige Zellen - beispielsweise das Immunsystem, Krebs oder der Darm - miteinander interagieren und ein komplexes vielzelliges Leben hervorrufen", sagte Weinstein.
In den letzten Jahrzehnten haben Forscher unzählige Werkzeuge entwickelt, mit denen sie molekulare Daten aus Gewebeproben sammeln können. Die Bemühungen, diese Technologie mit räumlichen Daten zu kombinieren, damit die Forscher wissen, wo und wie genetisches Material in einer Zelle angeordnet ist, erfordern jedoch häufig teure und spezialisierte Maschinen.
Der neue Ansatz erleichtert den Prozess erheblich, so die Forscher. Im Wesentlichen werden bei der Methode winzige Tags verwendet, die aus benutzerdefinierten DNA-Sequenzen mit einer Länge von jeweils etwa 30 Nukleotiden bestehen und sich an jedes DNA- und RNA-Molekül in einer Zelle binden. Anschließend werden die Tags repliziert, bis sich Hunderte von Kopien in der Zelle befinden. Während diese Kopien miteinander interagieren, kombinieren sie sich und bilden einzigartige DNA-Markierungen, sagten die Forscher.
Die Wechselwirkungen zwischen diesen DNA-Tags sind entscheidend. Sobald die Forscher die markierten Biomoleküle gesammelt und sequenziert haben, können sie mithilfe eines Computeralgorithmus die ursprünglichen Positionen der Tags in der Zelle dekodieren und rekonstruieren und so ein farbcodiertes virtuelles Bild der Probe erstellen. Laut den Forschern ähnelt die Bestimmung der Position jedes Moleküls der Art und Weise, wie Handytürme die Positionen benachbarter Handys triangulieren.
Die Technik kann Forschern helfen, verschiedene Arten menschlicher Krankheiten besser zu verstehen. In der Studie zeigten die Forscher beispielsweise, dass die DNA-Mikroskopie die Positionen einzelner menschlicher Krebszellen in einer Probe abbilden kann. Diese synthetischen DNA-Tags können Wissenschaftlern sogar helfen, die Positionen von Antikörpern, Rezeptoren und Molekülen auf Tumorzellen abzubilden.
"Wir haben DNA auf eine Weise verwendet, die den Photonen in der Lichtmikroskopie mathematisch ähnlich ist", sagte Weinstein. "Dies ermöglicht es uns, die Biologie so zu visualisieren, wie Zellen sie sehen und nicht wie das menschliche Auge."
