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2015值得期待:超越诺奖的新技术

2015/01/06 来源:生物通/万纹
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导读
2014年,三位科学家因为对超高分辨率显微镜所做出的贡献,获得了诺贝尔化学奖。这一技术的意义在于突破了几个世纪以来光学显微镜的“衍射极限”。这些科学家们从不同途径“突破”了这一极限,使人们能够分辨相距少于200nm的两个物体。


在刚刚过去的2014年里,美国科学家Eric Betzig、William Moerner 和德国科学家Stefan Hell,因为对超高分辨率显微镜所做出的贡献,获得了诺贝尔化学奖。这一技术的意义在于突破了几个世纪以来光学显微镜的“衍射极限”。这些科学家们从不同途径“突破”了这一极限,使人们能够分辨相距少于200nm的两个物体。这类技术被统称为超高分辨率显微技术或纳米显微技术。

目前主要的超高分辨率技术包括:光激活定位显微技术PALM、随机光学重建显微技术STORM、受激发射损耗STED,结构照明显微技术SIM和RESOLFT。其中,PALM和STORM属于单分子定位显微技术。

专家们认为与荧光显微技术不同,电子显微镜(EM)能获得精确的结构信息,但是通过EM识别特殊蛋白是一个费力不讨好的工作,而且一般也不能定量。而通过衍射极限荧光成像的电子显微技术虽然获得的信息量大,但是无法达到几十纳米级别的分辨率。

超分辨率荧光成像技术现在已接近电子显微镜技术,不过这两者之间还是存在至少一个数量级的分辨率差异。如果能将这两者结合,提炼电子显微和超分辨率荧光显微的优点,也许能带给我们惊喜。

把这两种方法放在一起并不是件简单的事。首先样品准备需要能用于两种不同的方法,以最小的失真完成高质量成像。其次以两种模式获得的成像也必须能精确对齐,这样才能真正提供补充信息。

比如说来自美国NIH的一组研究人员为了将电镜EM与光激活定位显微技术PALM结合在一起,对细胞表面结构成果,研发出了一种样品准备的方法,这种方法基于嵌入式金纳米棒,能完成20 纳米分辨率的相关成像(Correlative super-resolution fluorescence and metal-replica transmission electron microscopy)。

此外这种关联技术还需要EM样品准备中合适的荧光标记,另外一篇文章中,来自加州理工学院的研究人员为了关联细菌细胞的PALM与冷冻电子层析成像,找到了能在冷冻条件下进行光开启的荧光蛋白,而且他们也成功阻止了冰晶体的形成。(Correlated cryogenic photoactivated localization microscopy and cryo-electron tomography

这就是关联光学和电子显微镜技术(Correlative Light and Electron Microscopy,CLEM),这种技术既有荧光显微镜FM的分子标记功能,又具有电子显微镜EM捕获超微结构细节的高分辨率。这一相关显微镜技术让细胞生物学家有可能理解生命大分子在细胞里的动态,得到其亚细胞结构的更多信息。

而这些相应的解决方法也将能帮助这种超分辨率技术快速发展,用于生物学研究。

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Super-resolution CLEM


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