中科院生物物理研究所學(xué)者實(shí)現(xiàn)分子尺度分辨率光學(xué)成像
圖1 左側(cè)，傳統(tǒng)質(zhì)心擬合定位方法，右側(cè)，ROSE干涉定位方法
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Seeing is believing，光學(xué)顯微鏡自1590年由荷蘭詹森父子創(chuàng)制伊始，即成為生命科學(xué)最重要的研究工具之一。進(jìn)入21世紀(jì)，借助熒光分子，科學(xué)家將光學(xué)顯微鏡的分辨率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，由約一半光波波長(zhǎng)（250 nm）拓展至幾十納米，并興起了超高分辨熒光成像技術(shù)，用于“看到”精細(xì)的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生物大分子定位，相關(guān)工作榮膺2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
9月9日，Nature Methods雜志在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所徐濤院士研究組與科學(xué)研究平臺(tái)紀(jì)偉正高級(jí)工程師研發(fā)團(tuán)隊(duì)合作研究論文，題為“Molecular resolution imaging by repetitive optical selective exposure”，為超高分辨光學(xué)顯微鏡家族再添新成員，使顯微鏡分辨率進(jìn)一步被突破。該工作提出了一種基于激光干涉條紋定位成像的新技術(shù)，并據(jù)此研制出新型單分子干涉定位顯微鏡（Repetitive Optical Selective Exposure, ROSE），將熒光顯微鏡分辨率提升至3 nm以內(nèi)的分子尺度，單分子定位精度接近1 nm，可以分辨點(diǎn)距為5 nm的DNA origami（DNA 折紙）結(jié)構(gòu)。
所謂干涉定位，是指采用不同方向和相位的激光干涉條紋激發(fā)熒光分子，熒光分子的發(fā)光強(qiáng)度與其所處條紋的相位有關(guān)，該技術(shù)即是通過熒光分子強(qiáng)度與干涉條紋的相位關(guān)系，來確定熒光分子的精確位置。為降低單分子發(fā)光時(shí)的閃爍和漂白對(duì)亮度和定位精度產(chǎn)生的不良影響，研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)顯微鏡光路進(jìn)行了創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)，分別為：基于電光調(diào)制器的干涉條紋快速切換激發(fā)光路，基于諧振振鏡掃描的6組共軛成像光路，兩種光路的同步實(shí)現(xiàn)了高達(dá)8 kHz的分時(shí)成像，確保在相機(jī)的單次曝光時(shí)間里把每個(gè)單分子發(fā)光狀態(tài)均勻分配給6個(gè)干涉條紋，有效避免了熒光分子發(fā)光能力波動(dòng)對(duì)定位精度的干擾。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)對(duì)不同熒光位點(diǎn)間距的DNA origami陣列進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，證明干涉成像分辨率達(dá)到了3 nm的分子水平，可以解析5 nm的DNA origami陣列。后續(xù)的功能性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該技術(shù)在免疫標(biāo)記的微管、CCP（clathrin coated pits，網(wǎng)格蛋白有被小窩）以及較致密的細(xì)胞骨架成像時(shí)展現(xiàn)出良好性能，該技術(shù)將為進(jìn)一步解析精細(xì)亞細(xì)胞的組分和生物大分子的納米結(jié)構(gòu)提供有力工具。
圖2左側(cè)，不同熒光位點(diǎn)間距的DNA origami成像，ROSE技術(shù)與傳統(tǒng)的質(zhì)心擬合方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。右側(cè)，鬼筆環(huán)肽標(biāo)記的微絲成像，ROSE技術(shù)與傳統(tǒng)的質(zhì)心擬合方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。
徐濤院士領(lǐng)銜的儀器研發(fā)團(tuán)隊(duì)近年來致力于顯微成像儀器設(shè)備和技術(shù)方法的研究和開發(fā)，先后研制出偏振單分子干涉成像、冷凍單分子定位成像以及超分辨光電融合成像系統(tǒng)，開發(fā)了新的超分辨顯微成像算法、探針和技術(shù)，申請(qǐng)有多項(xiàng)發(fā)明專利，上述成果被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞生物學(xué)相關(guān)研究，支撐團(tuán)隊(duì)與合作者在該領(lǐng)域取得了系統(tǒng)性成果產(chǎn)出。紀(jì)偉正高級(jí)工程師所在的生命科學(xué)儀器研發(fā)中心是根據(jù)研究所發(fā)展新技術(shù)新方法的迫切需求而設(shè)立，隸屬于科學(xué)研究平臺(tái)，在提供技術(shù)服務(wù)的同時(shí)，聚焦生物顯微成像儀器設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用推廣。
文章鏈接: https://www.nature.com/articles/s41592-019-0544-2
注：本文轉(zhuǎn)載自中國(guó)科學(xué)院。
