【Cell封面故事】比14年诺奖更上层楼的荧光成像技术
2016/08/17
耶鲁大学新报道了4Pi单分子定位的显微镜,比2014年诺贝尔奖获得者开发的荧光成像技术轴向深度的分辨率进一步提高,可用于约10 um厚的样本成像。相关文章刊登在8月11日Cell上。本期Cell的封面就采取了该研究所产生的小鼠精母细胞联会复合体的照片。


这种方法产生的小鼠精母细胞联会复合体图像

现在耶鲁大学新报道了4Pi单分子定位的显微镜,能够进行10-20 nm同向定位精确度的研究。重要的是这种新型显微镜可用于10 um厚的样本成像,这对于两个目标定位的荧光显微镜方法有了一个显著的改善。相关文章刊登在8月11日Cell上。

细胞生物学的重大进展总是与显微镜的创新紧密联系在一起的。光的波动性制约着传统的光学显微镜的分辨率为200 nm,无法了解更详细的亚细胞结构和蛋白质组件。高分辨率显微镜的改进为研究人员提供了关于细胞形态和功能的前所未有的细节水平。这篇文章开发了一种新的荧光显微镜,在10-20纳米的分辨率提供了对完整细胞空间内容的访问。本期Cell的封面就在20nm的分辨率显示了9μm厚度的小鼠精母细胞联会复合体的细节。


双目标的“4Pi”几何学提高分辨率

超分辨率荧光显微镜或纳米成像技术的出现,比如2014诺贝尔奖化学奖获得者Stefan W. Hell发明的STED(受激发射损耗,stimulated emission depletion)和SMSN (单分子转换纳米显微single-moleculeswitching nanoscopy)荧光成像技术突破了衍射限制的荧光显微镜的应用范畴。目前荧光纳米显微技术,或者是超高分辨率的显微镜,已经成为细胞生物学研究的重要工具。

虽然这些工具在焦平面(横向,X-Y)上达到20-40nm的分辨率,但在深度方向(轴向、Z)只限于50–80 nm,厚的样本中分辨率很差,其实际生物应用被限制在两个方向和薄的样本。这篇文章用了双目标的“4Pi”几何学,并通过使用可变形反射镜校正深度引起的点扩散功能的变化进一步地提高分辨率。

研究者们展示了开发全细胞4Pi单分子转换纳米显微镜(W-4PiSMSN)。使用两个目标倍增了检测效率,从而提高了定位的精度——在三个维度上达1.4倍。此外使用两个目标的4Pi几何学允许在探测器产生单分子发射干扰模式,这比2009年的iPALM干涉检测和2011年的4Pi-SMSN单标记转换纳米显微技术,在精度上提高了10到40倍。这个提高了的方案能在10nm的轴向分辨率上产生结构图谱。

对各种亚细胞3D结构成功成像

W-4PiSMSN拓展了在整个细胞的成像能力而不影响分辨率。这样的显微技术允许对整个哺乳动物细胞10到20nm分辨率的3D结构成像。研究证实W-4PiSMSN可以广泛应用在不同的研究领域,该方法允许对几乎任何亚细胞结构超高分辨率的三维成像。为了证明这点,研究人员对内质网、噬菌体、线粒体、核孔复合物、原发性纤毛、高尔基体相关囊泡和小鼠精母细胞联会丝复合物等复杂分子结构,在大型的3D细胞体积上成功成像。通过这些例子,科学家们发现W-4PiSMSN打开了之前无法回答的细胞生物学问题的大门。

 

这种方法产生的线粒体图像

 

这种方法产生的纤毛图像

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