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细胞的MV—新光学超分辨率成像技术

来自美国霍华德休斯医学研究所Janelia研究园、中科院生物物理所、美国国立科学研究院、哈佛医学院等的科学家们,借助其发展的新光学超分辨率成像技术,在前所未有的高分辨率条件下研究了活体细胞内的动态生物过程。他们的新方法显着的提高了结构光照明显微镜(structured illumination microscopy, SIM)的分辨率,一种最适合活体超分辨成像的技术。于2015年8月28日在美国《科学》杂志上以封面文章发表。

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在这篇题为“Extended-resolution structured illumination imaging of endocytic and cytoskeletal dynamics”的文章中科学家们报道了一种能够展现细胞内蛋白质的运动和相互作用的新技术,这一技术能够帮助生物学家理解细胞是怎样改变它们之间的依存结构,以及重整细胞膜结构使得细胞外的分子可以被吸收到细胞内。


众所周知超分辨率光学显微成像技术能够在极高的分辨率下展现细胞内的精细结构。但是,其局限性在于不能有效进行活体细胞成像。本文的作者之一,Eric Betzig博士指出利用一种名为饱和耗尽非线性SIM,人类有望克服这一问题。饱和耗尽非线性SIM先把所有的荧光蛋白分子激活到可发光的状态(亮态),然后用一束结构光把大部份的亮态分子反激活到暗态。


通过结构光反激活之后,仅有少数处于结构光最弱区域的分子仍然保持在亮态。这些光调控过程提供了物体的高空间频率信息,从而让图像更加清晰。这一过程需要重复25或更多次才能产生最终的高分辨率图像。Betzig博士说道,这一原理非常类似于STED或另一种与其相关的叫做RESOLFT的超分辨率技术的原理。不过由于激活和反激活荧光蛋白需要很长时间,同时反复光照会对细胞和荧光蛋白造成损伤,研究人员必须在这一技术基础上进行改良才能让超分辨率活体细胞成像成为现实。


Betzig研究小组开发了一种名为结构光激活非线性SIM的技术,用结构光只激活样品里的一部分荧光蛋白分子,另外一束结构光用于反激活分子,额外的信息可以在反激活的过程中同时被读出。两个结构光叠加的效应给与最终图像62纳米的分辨率,这一结果好于原始的SIM,并且把由光波长决定的传统分辨率极限改进了三倍。此外,结构光激活非线性SIM可在1/3秒内采集25幅原始图像,并从中重建出一幅高分辨率图像。它的图像采集很高效,只需用较低的照明光强,并且收集每一个亮态荧光蛋白分子所携带的信息。从而有效地保护了荧光分子,使得显微镜能够进行更长时间的成像,让科学家们可以观测到更多的动态活动。


目前,科学家们已经利用这一技术进行一系列应用。例如获得了在细胞运动和改变形状的过程中骨架蛋白的解体和自身再组装过程,以及在细胞膜表面的叫做caveolae的微小内吞体动态过程的影像;观测了多个骨架蛋白质在形成粘着斑(链接细胞内外的物理链)过程中的运动和相互作用;追踪了clathrin修饰的内吞体的成长和内吞过程(内吞体将细胞外的分子转移到细胞内)等。而这一技术也必将为推动生命科学研究提供更强大的动力。


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