"萤火虫"成像技术清楚显示分子力

来自Emory University的研究人员利用发光DNA工具，在分子水平上视化了细胞的机械力。研究人员在人类血小板上展示了这项技术。这项研究的资深作者Khalid Salaita说：“光学显微镜通常不能产生能够分辨出小于光波长度(约500纳米)的物体的图像。但是我们找到了一种新方法， 就是利用最新的光学成像技术以及我们的分子DNA传感器来捕获25纳米量级下的作用力。这个分辨率类似于在月球上看到雨滴滴落到地球湖面造成的波纹。” 研究人员将合成DNA链转化为分子张力探针，这些探针含有隐藏的沟槽，然后附着在细胞表面的受体上。自由浮动并且有萤光标记的DNA片作为成像器。当未被锚定的DNA碎片嗖嗖移动时，他们在显微镜视频中创造了光的条纹。

合成DNA探针(棕色)固定在细胞表面(青色)。自由浮动DNA成像器以荧光绿色呈现。Pushkar Shinde 供图。

当被研究的细胞在特定的受体位点下用力时，附着的探针会伸出来，导致它们隐藏的沟槽打开并释放储存在里面的DNA絮状物。自由浮动的DNA片段被设计成停留在这些DNA絮状物上。当自由浮动的碎片停留时，它们被暂时固定住，在视频中显示为静止的光点。然后用数小时的显微镜视频拍摄了整个过程。后来经过视频加速来显示光点如何随着时间变化。这提供了细胞机械力的分子级观察。

研究人员用萤火虫类比来描述这个过程。“想象一下在一个没有月亮的夜晚，漆黑一片，你在田野里，虽然前面有一棵树，但你看不见，”Joshua Brockman是文章的共同第一作者，他现在是哈佛大学的博士后研究员。他说，"出于某种原因，萤火虫非常喜欢那棵树。当他们降落在沿着树干的所有的树枝上，你可以慢慢在脑海建立树轮廓的图像。如果你有耐心，你甚至可以通过记录萤火虫如何随着时间的推移改变其着陆点来检测树枝在风中的摇曳。

“用高分辨率来对一个活细胞的机械力成像是极其具有挑战性的，” Su毕业于Emory University化学系，现在是Salaita lab的博士后研究员。他说，“我们技术的一大优点是它不会干扰健康细胞的正常行为。另一个优点是A、G、T和C的DNA碱基，它们以特定的方式自然地彼此结合，DNA碱基可以在探针和成像系统中进行设计，以控制其特异性，并在细胞内同时绘制多重力图。” Brockman说：“最终我们也许能够将细胞的各种机械活动与特定的蛋白质或其它细胞的运动联系起来。这可能使我们能够确定如何修改细胞以改变以及控制其机械力。”

通过利用该技术对血小板（控制伤口部位血液凝固的细胞）的机械力进行成像，研究人员发现血小板具有机械张力的集中核心和连续收缩的薄层边缘。“我们以前看不到这种模式，但是现在我们有一个匀边像，”Salaita说，“这些机械力如何控制血栓形成和凝固？我们计划更深入的研究这些机制，看看它们能否作为预测凝血障碍的方法。”

这项研究成果发表在《Nature Methods》(www.doi.org/10.1038/s41592-020-0929-2).

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