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生物物理所研制出分子尺度分辨率干涉定位顯微鏡
http://www.belolats.com2019-09-11 16:22:10生物物理研究所

  光學顯微鏡自1590年由荷蘭詹森父子創制伊始,即成為生命科學最重要的研究工具之一。進入21世紀,借助熒光分子,科學家將光學顯微鏡的分辨率提高了一個數量級,由約一半光波波長(250 nm)拓展至幾十納米,并興起了超高分辨熒光成像技術,用于“看到”精細的亞細胞結構和生物大分子定位,相關工作榮膺2014年諾貝爾化學獎。

  9月9日,Nature Methods雜志在線發表了中國科學院院士、中國科學院生物物理研究所研究員徐濤研究組與科學研究平臺正高級工程師紀偉研發團隊合作的研究論文,題為Molecular resolution imaging by repetitive optical selective exposure,為超高分辨光學顯微鏡家族再添新成員,使顯微鏡分辨率進一步被突破。該工作提出了一種基于激光干涉條紋定位成像的新技術,并據此研制出新型單分子干涉定位顯微鏡(Repetitive Optical Selective Exposure, ROSE),將熒光顯微鏡分辨率提升至3 nm以內的分子尺度,單分子定位精度接近1 nm,可以分辨點距為5 nm的DNA origami(DNA折紙)結構。

  所謂干涉定位,是指采用不同方向和相位的激光干涉條紋激發熒光分子,熒光分子的發光強度與其所處條紋的相位有關,該技術即是通過熒光分子強度與干涉條紋的相位關系,來確定熒光分子的精確位置。為降低單分子發光時的閃爍和漂白對亮度和定位精度產生的不良影響,研發團隊對顯微鏡光路進行了創造性的設計,分別為:基于電光調制器的干涉條紋快速切換激發光路,基于諧振振鏡掃描的6組共軛成像光路,兩種光路的同步實現了高達8 kHz的分時成像,確保在相機的單次曝光時間里把每個單分子發光狀態均勻分配給6個干涉條紋,有效避免了熒光分子發光能力波動對定位精度的干擾。

  研發團隊利用該技術對不同熒光位點間距的DNA origami陣列進行驗證測試,證明干涉成像分辨率達到了3 nm的分子水平,可以解析5 nm的DNA origami陣列。后續的細胞實驗結果顯示,該技術在免疫標記的微管、CCP(clathrin coated pits,網格蛋白有被小窩)以及較致密的細胞骨架成像時展現出良好性能,該技術將為進一步解析精細亞細胞的組分和生物大分子的納米結構提供有力工具。

  徐濤領銜的儀器研發團隊近年來致力于顯微成像儀器設備和技術方法的研究和開發,先后研制出偏振單分子干涉成像、冷凍單分子定位成像以及超分辨光電融合成像系統,開發了新的超分辨顯微成像算法、探針和技術,申請了多項發明專利,上述成果被廣泛應用于細胞生物學相關研究,支撐團隊與合作者在該領域取得了系統性成果產出。

  徐濤和紀偉為該文章的共同通訊作者。該工作受到中科院科研儀器設備研制項目、國家重點研發計劃、國家自然科學基金以及北京市科技計劃等的資助。

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