活細(xì)胞超分辨率熒光成像技術(shù)被發(fā)明

作為位獲美國麥克阿瑟基金會(huì)“天才獎(jiǎng)”的華人女科學(xué)家，莊小威教授獲得了許多重要成果，尤其是在生物物理顯微成像領(lǐng)域，近期莊小威教授發(fā)表了題為“Fast, three-dimensional super-resolution imaging of live cells”的論文，介紹了其研究組在超分辨率細(xì)胞成像研究方面的新進(jìn)展——活細(xì)胞超分辨率熒光成像技術(shù)，這一研究成果公布在《自然—方法學(xué)》（Nature Methods）在線版上。

　　傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡受限于光的波長(zhǎng)，對(duì)于200nm以下的物體無法分辨。雖然電子顯微鏡可以達(dá)到納米級(jí)的分辨率，但電流容易造成樣品破壞，因此能觀測(cè)的樣本也相當(dāng)有限。分子生物學(xué)家雖然可以把若干目標(biāo)蛋白質(zhì)貼上熒光卷標(biāo)，但這些蛋白質(zhì)還是經(jīng)常擠在一塊，在顯微鏡下難以分辨開來。

　　近幾年高分辨率熒光顯微鏡研發(fā)，使得研究者可以從納米級(jí)觀測(cè)細(xì)胞突起的伸展，從而宣告200—750納米大小范圍的模糊團(tuán)塊時(shí)代結(jié)束。比如光敏定位顯微鏡（PALM）可以用來觀察納米級(jí)生物，相較于電子顯微鏡有更清晰的對(duì)比度，如果給不同蛋白接上不同的熒光標(biāo)記，就可以進(jìn)一步研究蛋白質(zhì)間的相互作用。

　　莊小威研究組一直在研究如何用光敏開關(guān)探針來實(shí)現(xiàn)單分子發(fā)光技術(shù)。他們希望能用光敏開關(guān)將原本重疊在一起的幾個(gè)分子圖像暫時(shí)分開，這樣就能獲得單分子圖像，從而提高分辨率。

　　2004年莊小威研究組偶然發(fā)現(xiàn)某種花青染料具有光控開關(guān)，即通過使用不同顏色的光，可以隨意地把它們激活成熒光狀態(tài)和失活成黑暗狀態(tài)。自此莊小威開始研究這些光控探針，用它們來短暫地分離個(gè)體分子在空間上的重疊影像從而提高分辨率。

　　在《自然—方法學(xué)》的文章中，莊小威研究組命名了一種隨機(jī)光學(xué)重建顯微鏡（stochastic optical reconstruction microscopy, STORM）。使用STORM可以以20nm的分辨率看到DNA分子和DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體分子。
這一方法基于光子可控開關(guān)的熒光探針和質(zhì)心定位原理，在雙激光激發(fā)下熒光探針隨機(jī)發(fā)光，通過分子定位和分子位置重疊重構(gòu)形成超高分辨率的圖像，其空間分辨率目前可達(dá)20nm。

　　STORM雖然可以提供更高的空間分辨率，但成像時(shí)間往往需要幾分鐘，而且還不能滿足活體實(shí)時(shí)可視的成像需要?；罴?xì)胞成像十分重要，但是要在不影響細(xì)胞正常生命活動(dòng)的前提下實(shí)現(xiàn)高分辨率成像并不容易。莊小威研究組在這篇文章中報(bào)道了通過帶有高時(shí)空分辨率的STORM，獲得活細(xì)胞超高分辨率熒光成像的研究成果。

　　研究人員直接或間接（通過SNAP）用光敏開關(guān)染料標(biāo)記蛋白，從而獲得二維和三維的活細(xì)胞超高分辨率成像，這些成像成果將有利于進(jìn)一步分析研究活體細(xì)胞內(nèi)部活動(dòng)，而且這一方法也為科學(xué)家分析活細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)打開了一扇窗。


2011年05月24日