一種新的成像技術以前所未有的細節捕捉到了人類基因組的三維結構，顯示了單個基因如何在核醣體水平上折疊，核醣體是構成基因組三維結構的基本單位。這項技術是由位於巴塞羅那的基因組監管中心（CRG）和巴塞羅那生物醫學研究所（IRB Barcelona）的研究人員創造的，它結合了高分辨率顯微鏡和復雜的計算機建模。它是迄今為止研究基因形狀的最全面的技術。

這項新技術使研究人員能夠創建並以數字方式瀏覽基因的三維模型，不僅能看到它們的結構，還能看到它們如何移動或它們的靈活性的信息。了解基因的功能可能有助於我們更好地理解它們如何在健康和疾病中影響人體，因為幾乎每一種人類疾病都有一些遺傳基礎。

使用傳統顯微鏡（左）來觀察NANOG基因的結構，顯示為一個明亮的綠色斑點，與使用MiOS（右）進行比較，MiOS可以對單個基因成像。MiOS的分辨率大約提高了10倍，而且還詳細說明了使用傳統方法無法辨別的結構的關鍵方面。資料來源：Vicky Neguembor/CRG和Pablo Dans/IRB Barcelona

科學家們最終將能夠利用這些知識來預測當事情發生時基因會發生什麼，例如對導致疾病的基因結構的差異進行編目。該方法有可能被用來測試改變異常基因形狀的藥物，幫助開發各種疾病的新療法。

該技術是用於研究生物體的成像技術的下一步發展，它最早始於四百多年前顯微鏡的誕生。這些在推動醫學和人類健康方面發揮了至關重要的作用，例如，羅伯特·胡克首次使用顯微鏡來描述細胞，後來聖地亞哥·拉蒙·卡賈爾使用顯微鏡來識別神經元。儘管取得了巨大的進步，但光學顯微鏡的局限性早在1873年就已明確，研究人員其最大分辨率不超過0.2微米。

這一物理限制在21世紀隨著超分辨率顯微鏡的誕生而被克服，這一突破在2014年被授予諾貝爾化學獎。利用熒光，研究人員擴展了光鏡的極限，捕捉到了20納米的事件，這一壯舉揭示了生命如何在前所未有的分子尺度上運作。

MiOS模型的例子顯示了一個基因如何在三維中折疊。這揭示了某些區域是如何被壓縮的，而其他區域是如何被拉伸和更容易接近的。資料來源：巴勃羅-丹斯/巴塞羅那IRB

超分辨率顯微鏡改變了生物醫學研究的進程，使科學家能夠追踪各種疾病中的蛋白質。它還使研究人員能夠研究調節基因表達的分子事件。科學家們現在希望在該技術的基礎上，通過增加更多的信息層而使其更進一步。

研究人員假設，採用超分辨率顯微鏡並將其與先進的計算工具相結合，可能是一種在必要的細節水平上對基因進行成像以研究其形狀和功能的方法。一個跨學科的科學家團隊分享了他們的專業知識，並創造了一種新的技術，稱為建模免疫-OligoSTORM-或簡稱MiOS。

這兩個研究小組的合作是巴塞羅那科技學院（BIST）”點燃計劃”的一部分，該計劃促進了不同科學領域的知識交流，探索解決複雜問題的新方法。

從左至右：Pia Cosma, Laura Martin, Rafael Lema, Ximena Garate, Victoria Neguembor, Pablo Dans, Juan Pablo Arcon, Jürgen Walther, Isabelle Brun Heath, Pablo Romero, Diana Buitrago. 資料來源：BIST

“我們的計算建模策略整合了來自DNA測序技術和超分辨率顯微鏡的數據，以超過核醣體大小的分辨率提供基因三維形狀的基本圖片（或影像），達到詳細了解染色質和其他細胞因子之間相互作用所需的規模，”該工作的共同第一作者、巴塞羅那IRB的博士後研究員胡安·巴勃羅·阿肯博士說。

作為概念證明，研究小組利用MiOS對關鍵的內務和多能性基因的位置、形狀和壓實提供了新的見解，揭示了僅使用傳統技術無法捕捉到的新結構和細節。這些發現發表在《自然·結構與分子生物學》雜誌上。該研究的通訊作者包括CRG的ICREA研究教授Pia Cosma和巴塞羅那IRB的Modesto Orozco教授，以及Pablo Dans，以前是巴塞羅那IRB的研究員，現在在共和國大學（烏拉圭）和蒙得維的亞巴斯德研究所工作。

“MiOS提供了前所未有的細節，幫助研究人員在基因內部進行虛擬導航，揭示它們是如何在一個全新的尺度上組織的。這就像從哈勃太空望遠鏡升級到詹姆斯-韋伯望遠鏡，但我們不是看到遙遠的星星，而是探索人類細胞核內最遠的地方，”該研究的共同第一作者和CRG的研究員Vicky Neguembor博士說。

雖然很多基於基因組的研究已經在改變我們診斷、治療或預防疾病的方式，但MiOS的影響更為長遠。通過揭示基因如何工作以及它們如何在納米尺度上被調節，該技術將使科學實驗室有新的發現，其中一些可能最終轉化為臨床實踐。

研究小組已經通過探索對人類發展很重要的基因，將MiOS投入使用。該團隊還將繼續進一步開發MiOS，增加額外的功能，例如可以檢測轉錄因子–參與將DNA轉換或轉錄為RNA過程的蛋白質–如何與DNA結合。