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用新旋转方式可视化整个细胞中的单分子

发布:opticsphotonics阅读:2261时间:2017-12-13 21:39:26

研究人员使用他们的SDC-PAINT方法来显示细胞骨架微管丝(绿色)的网络结构以及它们与被称为TOM20(红色)和HSP60(蓝色)的另外两种蛋白质的接近性。每个图像都显示了从顶部开始的细胞的不同平面上的蛋白质,底部放大的图像将SDC-PAINT (左)与传统的共焦显微镜(右)的分辨率作比较。援引:Florian Schueder, 德国马克斯-普朗克生物化学研究所(MPI)/慕尼黑大学(LMU)

细胞学家过去常使用荧光染料在显微镜下标记和可视化细胞及其内的分子。通过不同的超分辨率显微镜方法,他们甚至可以点亮单个分子以及彼此之间复杂的相互作用。然而,必须通过高度专业化和昂贵的显微镜硬件才能实现,因此这种显微镜在世界各地的实验室中都比较少见。且这种显微镜的操作比较复杂,需要专门的技能。

Ralf Jungmann博士,哈佛Wyss生物工程研究所的校友,目前是慕尼黑大学(LMU)教授,德国马克斯-普朗克生物化学研究所(MPI)以及怀斯研究所核心团队成员Peng Yin 博士,一直在开发DNA-PAINT,一种强大的分子成像技术,涉及短暂的DNA-DNA相互作用,以超分辨率精确定位荧光染料。然而,尽管研究人员已经通过在固定的细胞中以固定近距离观察单个生物分子(如蛋白质)来证明DNA-PAINT的潜力,但该技术还不能用于观察细胞内部的分子。

目前,Jungmann和Yin的团队共同报道了克服这个限制的一个解决方案。在他们的新研究中,他们将DNA-PAINT技术应用于细胞生物学实验室中常见的共聚焦显微镜,研究人员使用这些显微镜以较低的分辨率对整个细胞和较厚的组织进行成像。马克斯-普朗克生物化学研究所以及怀斯研究所研究团队证明,该方法可以在超分辨率情况下的整个细胞的整个深度内,将各种不同的分子可视化,包括不同蛋白质、RNA和DNA的组合。在《Nature Communications》上发表的这一方法可以为细胞研究的许多领域中单分子的具体定位研究打开大门。

DNA-PAINT方法将DNA“锚”连接到感兴趣的分子上。然后,带有互补序列的染料标记的DNA“成像链”瞬时附着于锚并产生荧光信号,其在单个分子位点处作为确定的闪烁发生。因为“闪烁”是精确可调的,所以在超分辨率的更高分辨率的末端,可以区分彼此相距仅有纳米的分子。

“我们的新方法SDC-PAINT,将DNA-PAINT的多功能超分辨率功能与共聚焦显微镜的光学切片功能集成在一起。因此,我们创造了探索细胞整个深度的手段,并在纳米尺度上可视化其内部的分子,”Jungmann说。研究团队绘制了整个细胞内不同的蛋白质组合,然后进行了研究。“通过使我们的标记方法多样化,我们还可以在包含染色体的细胞核中显示不同类型的单个生物分子,包括DNA中的序列,与DNA结合的蛋白质或包含细胞核的膜,以及核RNA,”YIN补充道,YIN也是怀斯研究所分子机器人行动的联合负责人,同时也是哈佛医学院系统生物学教授。

从原理上来说,共聚焦显微镜使用所谓的针孔来消除来自焦平面上方和下方的图像平面上不想要的离焦荧光。研究人员通过从一个接一个平面扫描样品,可以收集从分子结合燃料发出的整个深度的荧光信号。具体而言,马克斯-普朗克生物化学研究所/怀斯研究所团队开发了“旋转盘共聚焦”(SDC)显微镜技术,通过多个针孔旋转盘检测整个平面的荧光信号。此外,“为了实现3D的超分辨率,我们在检测路径中放置了一个额外的镜头,这使我们能够在第三维中获得亚衍射极限分辨率”,文章的第一作者、与Jungmann一起工作的研究生Florian Schueder如是说。Florian Schueder也与YIN的怀斯研究所团队合作,成果作为他的硕士论文的一部分。

“SDC显微镜制造商可以很容易地定制这种器件; 因此我们在没有对显微镜进行复杂的硬件改变的基础上,实现了超分辨率显微镜,所有生物医学研究场所的细胞生物学家都可以使用这些显微镜。因此该方法有可能使整个细胞和组织的超分辨率成像更加普及,”Jungmann说。

“伴随着这一重要进展,超分辨率显微镜和DNA-PAINT对于生物医学研究人员而言可能变得更容易获得,也可以促进我们更加了解单个分子的功能和他们在细胞内控制过程,” 怀斯研究所创始人Donald Ingber博士如是说,他同时也是HMS血管生物学Judah Folkman教授和波士顿儿童医院血管生物学项目的教授,以及SEAS生物工程学教授。

来源: https://phys.org/news/2017-12-visualizing-molecules-cells.html

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