研究人員在一台顯微鏡中結合了兩種顯微成像技術，為科學家提供了一種在細胞環境中追蹤單分子的高解析度方法。這項研究成果為提高我們對細胞內部發生的微小細節進行視覺化的能力打開了大門。

如今，科學家已經能夠使用功能強大的顯微鏡窺視細胞內部。要了解特定生物分子是如何作用和反應的，這一點非常重要。然而，這些工具也有一些缺點。

以超高解析度螢光顯微鏡（SRM）為例。它非常適合追蹤細胞中的單一分子（如蛋白質），但不能向科學家展示附近發生了什麼。此外，雖然低溫電子斷層掃描（cryo-ET）可以獲得高解析度的細胞影像，但它無法精確定位單一分子在做什麼。因此，美國能源部史丹佛線性加速器中心（SLAC）國家加速器實驗室的研究人員著手將這兩種影像技術結合到一台顯微鏡中。研究報告的第一作者彼得-達爾伯格（Peter Dahlberg）說：”我們的目標是保持兩種技術的優點。保留了螢光顯微鏡的分子特異性，所以你知道誰是誰，然後可以把它放在低溫電子顯微鏡的高解析度結構中。”螢光顯微鏡技術是用一種較小的分子標記單一分子，在光線照射下會發光。然後就可以在普通的–儘管分辨率非常高–光學顯微鏡下追蹤該分子。低溫電子顯微鏡使用電子顯微鏡來研究細胞等速凍樣本。將這兩種技術結合後，研究人員立即遇到了需要克服的問題。首先，必須將含有螢光標記分子的細胞放入直徑僅3毫米的低溫電子顯微鏡網格上，然後快速冷凍，使網格上的水變成玻璃（玻璃化）。一旦凍結，細胞就必須保持凍結狀態。第二個問題是冷凍細胞的大小–它們有數千奈米厚–但冷凍CT 使用的電子無法穿透200 奈米以下的深度。因此，研究人員開發了一種名為”聚焦離子束銑削系統”的設備，該設備附帶掃描電子顯微鏡（FIB-SEM）。聚焦離子束會切割掉細胞材料，留下冷凍ET 可以穿透的極薄的冷凍細胞片。然後，掃描電子顯微鏡向樣品發射電子，產生高解析度影像。原型FIB-SEM 有一個問題：它沒有連接光學顯微鏡，這意味著必須移動冷凍-ET 網格才能進行螢光顯微鏡檢查。幸運的是，解決方法很簡單。Dahlberg說：”從根本上說，我們只是拆開了這台價值150萬美元的精密儀器，安裝了這個集成的光學顯微鏡，現在我們有了一個更好的系統。”研究人員在2020 年測試了FIB-SEM，追蹤細菌細胞內的蛋白質，發現它可以工作，但意識到冷凍ET 網格的材料會吸收光線，破壞冷凍樣本。因此，他們進行了一些調整，設計了更好的網格，並為光學顯微鏡製作了更好的平台。現在，研究人員正在設計不同種類的螢光標籤–生物感測器–以便在低溫條件下工作。生物感測器是一種螢光分子，能根據當地環境改變其發射或激發特性，在一種環境中發出一種顏色，而在另一種環境中則發出不同的顏色。Dahlberg 說：”它們可以被調整為對pH 值、適應數百種環境變量。因此，除了具體位置和高分辨率結構信息外，你還可以知道我的細胞是健康的還是生病的？即將進行細胞分裂？ATP濃度高嗎？它提供了所有這些額外的內容。”研究人員將繼續修補FIB-SEM，直到它得到最佳化並充分發揮其潛力。