【李修命专栏】划时代的技术突破:活细胞超分辨率荧光成像技术

2015-10-31 04:20 作者: 李修命

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2015年10月22日出版的权威杂志《自然》发表了一篇焦点新闻,认为获得2014年诺贝尔化学奖的活细胞超分辨率荧光成像技术会给生物医学科研带来一个技术革命。长期以来,远场光学荧光显微镜凭借其非接触、无损伤、可探测样品内部等优点,一直是生命科学中最常用的观测工具。但由于衍射极限的存在,使传统的宽场光学显微镜横向和纵向的分辨率分别仅约为230 nm和1000 nm。1873年,物理学家恩斯特·阿贝(Ernst Abbe)得出结论:传统的光学显微镜分辨率有一个物理极限,即所用光波波长的一半(大概是0.2微米,即200纳米)。

近场光学显微镜根据非辐射场的探测与成像原理,能够突破普通光学显微镜所受到的衍射极限,在超高光学分辨率下进行纳米尺度光学成像与纳米尺度光谱研究。扫描近场光学显微镜(SNOM)是一种新型超高分辨率光学显微镜,它既具有光学显微镜可在自然状态下观察样品,获得物体的光学信息,且对样品无任何损伤的优点,又由于采用了近场光学探测原理及技术,使得分辨率不受衍射极限的限制,从而实现光学显微镜的超高分辨率。目前已报道的最好的近场光学显微镜的分辨率已达10nm。因此,近场光学显微镜将成为纳米尺度的物质微观结构研究的有力工具,已引起物理、化学、生物学、医学及材料科学的极大重视。

分子生物学家虽然可以把若干目标蛋白质贴上荧光卷标,但这些蛋白质还是经常挤在一块,在传统显微镜下难以分辨开来。近几年近场高分辨率荧光显微镜研发,使得研究者可以从纳米级观测细胞突起的伸展,从而宣告200—750纳米大小范围的模糊团块时代结束,这对细胞动力学研究有着重要的意义。2014年诺贝尔化学奖给了三个物理学家:艾力克·贝齐格(Eric Betzig)、斯特凡·W·赫尔(Stefan W. Hell)和W·E·莫纳(W. E. Moerner),以表彰他们对于发展超分辨率荧光显微镜做出的卓越贡献。他们的突破性工作使光学显微技术进入了纳米尺度,从而使科学家们能够观察到活细胞中不同分子在纳米尺度上的运动。

莫纳是第一个能够探测单个荧光分子的人,于1989年将技术推进到观测单个荧光分子。莫纳的另一个贡献是发现了像控制电灯泡一样方便地控制荧光蛋白发光的方法:一些已褪色的荧光蛋白在照射 405nm激光后能够被激活,再照射其激发光(如488nm)即可重新发出荧光;这个方法称为“光激活(photoactivation)”。这是超分辨率显微镜的基础。贝齐格发明的超分辨率显微镜叫光激活定位显微镜(photoactivated localization microscopy,PALM),其中所利用的就是莫纳发现的光激活方法。贝齐格利用微量的405nm激光照射样品,使得其中极小部分荧光分子能够发出荧光。由于这些发光的荧光分子很稀疏从而相距较远,它们的位置能够精确地确定下来。等这些荧光分子褪色后,再次照射405nm激光而激活另一小部分荧光分子。重复这个过程即可将样品中的所有分子定位出来,从而得到整个样品的图像。赫尔发明的是STED(受激发射损耗,stimulated emission depletion)荧光成像技术。在这个技术中,一种圈状激光能将其照射区域的所有分子的荧光消除,从而只留下中间的分子的荧光。通过扫描整个样品,从而实现对整个样品的成像。

 

原始出处:

Katherine Bourzac. Cell imaging: Beyond the limits. Nature. 526, S50–S54. 22 October 2015. doi:10.1038/526S50a

 


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