科學家發明活細胞超分辨率熒光成像技術

　　作為第一位獲美國麥克阿瑟基金會“天才獎”的華人女科學家，莊小威教授獲得了許多重要成果，尤其是在生物物理顯微成像領域，近期莊小威教授發表了題為“Fast, three-dimensional super-resolution imaging of live cells”的論文，介紹了其研究組在超分辨率細胞成像研究方面的最新進展——活細胞超分辨率熒光成像技術，這一研究成果公布在《自然—方法學》(Nature Methods)在線版上。

　　傳統光學顯微鏡受限于光的波長，對于200nm以下的物體無法分辨。雖然電子顯微鏡可以達到納米級的分辨率，但電流容易造成樣品破壞，因此能觀測的樣本也相當有限。分子生物學家雖然可以把若干目標蛋白質貼上熒光卷標，但這些蛋白質還是經常擠在一塊，在顯微鏡下難以分辨開來。

　　近幾年高分辨率熒光顯微鏡研發，使得研究者可以從納米級觀測細胞突起的伸展，從而宣告 200—750納米大小范圍的模糊團塊時代結束。比如光敏定位顯微鏡(PALM)可以用來觀察納米級生物，相較于電子顯微鏡有更清晰的對比度，如果給不同蛋白接上不同的熒光標記，就可以進一步研究蛋白質間的相互作用。

　　莊小威研究組一直在研究如何用光敏開關探針來實現單分子發光技術。他們希望能用光敏開關將原本重疊在一起的幾個分子圖像暫時分開，這樣就能獲得單分子圖像，從而提高分辨率。

　　2004年莊小威研究組偶然發現某種花青染料具有光控開關，即通過使用不同顏色的光，可以隨意地把它們激活成熒光狀態和失活成黑暗狀態。自此莊小威開始研究這些光控探針，用它們來短暫地分離個體分子在空間上的重疊影像從而提高分辨率。

　　在《自然—方法學》的文章中，莊小威研究組命名了一種隨機光學重建顯微鏡(stochastic optical reconstruction microscopy, STORM)。使用STORM可以以20nm的分辨率看到DNA分子和DNA-蛋白質復合體分子。這一方法基于光子可控開關的熒光探針和質心定位原理，在雙激光激發下熒光探針隨機發光，通過分子定位和分子位置重疊重構形成超高分辨率的圖像，其空間分辨率目前可達20nm。

　　STORM雖然可以提供更高的空間分辨率，但成像時間往往需要幾分鐘，而且還不能滿足活體實時可視的成像需要。活細胞成像十分重要，但是要在不影響細胞正常生命活動的前提下實現高分辨率成像并不容易。莊小威研究組在這篇文章中報道了通過帶有高時空分辨率的STORM，獲得活細胞超高分辨率熒光成像的研究成果。

　　研究人員直接或間接(通過SNAP)用光敏開關染料標記蛋白，從而獲得二維和三維的活細胞超高分辨率成像，這些成像成果將有利于進一步分析研究活體細胞內部活動，而且這一方法也為科學家分析活細胞超微結構打開了一扇窗。