德國哥廷根大學醫學中心納米專家Ali Shaib和Silvio Rizzoli開發了一種用於普通光學顯微鏡的技術——ONE顯微鏡。這項技術記錄了單個蛋白質和從未見過的細胞結構的圖像，其細節水平甚至超過了價值數百萬美元的“超高分辨率”顯微鏡。相關研究結果近日發表於預印本網站bioRxiv。

使用現有超高分辨率和擴展顯微鏡方法（從左至右1-3）以及ONE顯微鏡技術（4、5）產生的微管蛋白圖像。圖片來源：bioRxiv

“顯微鏡技術也應該有某種形式的自由。”Rizzoli指出，該技術的高分辨率適用於很多人，而不是少數有錢的實驗室。

傳統光學顯微鏡的能力受到光學定律的限制，這意味著觀測小於200納米物體的結果是模糊的。Rizzoli說，研究人員已經開發出獲得超越物理學的超高分辨率的方法，可以將這一極限降低到10納米左右。這種方法獲得了2014年諾貝爾化學獎，它使用光學技巧精確定位附著在蛋白質上的熒光分子。

2015年，研究人員提出了另一種規避光學限制的方法。美國麻省理工學院神經工程師Edward Boyden領導的研究小組發現，充氣組織（尿布中使用的一種吸收性化合物）可以使細胞彼此遠離。這種被稱為膨脹顯微鏡的技術使顯微鏡分辨率有了飛躍，可以分辨20納米左右的結構。

Shaib和Rizzoli的技術融合了這兩種方法，可以達到1納米以下的分辨率。這種清晰度足以揭示單個蛋白質的形狀，而此前通常使用更昂貴的結構生物學方法，如冷凍電鏡，或X射線結晶學方法對這些蛋白質進行成像。

膨脹顯微鏡的簡單性是其具有吸引力的部分原因，Boyden估計，超過1000個實驗室採用了這項技術。樣品經過化學處理，將蛋白質固定在一種聚合物上，加入水後，聚合物會膨脹到原來的1000倍，使分子分離。ONE顯微鏡技術利用熱或酶分解蛋白質，這樣單個片段在膨脹過程中就會被拉伸到不同的方向。

研究人員已經使用新方法獲得了一種神經分子GABAA受體的圖片，後者與蛋白質的高分辨率冷凍電鏡和X射線結晶學圖片非常相似。他們還捕捉到一種名為耳鐵蛋白的大體積蛋白質的輪廓，這種蛋白質的結構尚未確定，它有助於在大腦中傳遞音頻信號。這個形狀類似於AlphaFold深度學習網絡作出的結構預測。

該方法無法與冷凍電鏡的分辨率相匹配，後者在某些情況下可以揭示小於0.2納米的近原子級細節。冷凍電鏡技術既精細又昂貴。Rizzoli說，相比之下，ONE顯微鏡可以提供一種了解幾乎任何分子結構的快速而簡單的方法。

Rizzoli說，開發這項技術的部分動機是擴大尖端光學顯微鏡的可及性。ONE顯微鏡技術簡單，適用於20世紀90年代已過時的熒光顯微鏡。

位於埃及的開羅德國大學製藥技術專家Salma Tammam計劃今年夏天派一名博士生學習這項技術。她的實驗室正在研究納米顆粒如何在細胞中移動，他們想要看到粒子及其運載物的細節。但與低收入和中等收入國家的許多研究人員一樣，他們無法獲得昂貴的超高分辨率顯微鏡。

德國萊布尼茨分子藥理學中心生物學家Noa Lipstein說，擴大超高分辨率顯微鏡的應用範圍對資金雄厚機構的科學家也很重要。她最近成立了一個獨立的研究小組，並將ONE顯微鏡應用於對神經突觸細節的研究。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1101/2022.08.03.502284

《中國科學報》 (2023-04-19 第2版 國際)