Extensions to DNA-PAINT

Abstract

Imaging is an important tool in scientific research. When attempting to employ traditional optical microscopy methods to extremely small targets, a problem arises as a fundamental rule of physics limits the maximum achievable resolution. This diffraction limit is approximately 200-250 nm. By using super-resolution imaging methods, targets can be imaged with sub-diffraction-limited precision. DNA-PAINT (DNA Points Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography) is a super-resolution method, that uses the fluorescence emitted by fluorophores (molecules that emit light) to localise the center points of individual fluorophores to create super-resolution images. This is achieved through the transient binding of imagers (imagers being fluorophore-labeled DNA-strands) to their complementary docking strands on the target of imaging. This thesis is a review exploring various ways in which the performance of DNA-PAINT can be improved. This thesis explores various extensions, which can improve the performance of DNA-PAINT. For example, fluorogenic imagers enhance DNA-PAINT as they emit less fluorescence when unbound, reducing the background fluorescence and thus boosting image quality by increasing contrast. Other methods, such as optimising DNA sequences, have also been shown to be effective. This method uses overlapping sequence, that increase the imaging speed by facilitating more binding events.

Kuvantaminen on tärkeä väline tieteellisessä tutkimuksessa. Kun todella pieniä kohteita yritetään kuvantaa, perinteisellä optisella mikroskopialla tulee vastaan perustavanlaatuinen fysiikan laki, joka rajoittaa parasta mahdollista resoluutiota, jonka sillä voi saavuttaa. Tämän diffraktiorajan ajatellaan yleisesti olevan 200–250 nanometrin välillä. Superresoluutiokuvantamistekniikoilla pystytään saavuttamaan diffraktiorajaa tarkempi resoluutio. DNA-PAINT (DNA Points Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography) on superresoluutiomenetelmä, joka perustuu fluoroforien (valoa emittoivien molekyylien) synnyttämän fluoresenssin havaitsemiseen, ja niiden keskipisteiden paikantamiseen, mahdollistaen diffraktiorajaa pienemmän resoluution. Tämä saavutetaan DNA-sekvenssillä varustettujen fluorophorien ohimenevällä sitoutumisella kuvantamiskohteeseen. Tämä kandityö on kirjallisuustutkimus, jossa kartoitetaan uusia parannuksia DNA-PAINT-menetelmään, ja arvioidaan niiden ominaisuuksia. Työssä esitetään erilaisia ratkaisuja, joiden avulla DNA-PAINTin suorituskykyä pystytään parantamaan. Muun muassa fluorogeenisyyden hyödyntäminen on lupaava parannus DNA-PAINTiin, sillä sen avulla fluoroforit emittoivat himmeämpää fluoresenssia vapaina, mikä vähentää taustafluorosenssia parantaen kontrastia ja täten kuvan laatua. Myös esimerkiksi DNA-sekvenssien optimointi on todettu toimivaksi parannukseksi. Se perustuu päällekkäisten sekvenssien suunnitteluun, joka nopeuttaa kuvantamisprosessia, kun sitoutuneita fluoroforeja pystytään havaitsemaan tehokkaammin.