利用可開關的螢光標籤，麻省理工學院的工程師可以研究細胞中的分子如何相互作用來控制細胞的行為，研究人員開發出一種方法，可以同時觀察到多達七種不同的分子，甚至有可能觀察到比這更多的分子。

活細胞會受到多種分子訊號的轟擊，這些訊號會影響細胞的行為。如果能夠測量這些訊號以及細胞如何透過下游分子訊號網絡對這些訊號做出反應，就能幫助科學家更了解細胞是如何運作的，包括當細胞老化或生病時會發生什麼。

目前，這種全面的研究還不可能實現，因為目前的細胞成像技術僅限於同時對細胞內的少數不同分子類型進行成像。然而，麻省理工學院的研究人員開發了一種替代方法，可以一次觀察多達七種不同的分子，甚至有可能觀察到比這更多的分子。

分子影像技術的突破

「在生物學中，有許多例子表明，一個事件會引發一長串下游事件，進而導致特定的細胞功能，」譚以驍神經技術教授愛德華-博伊登（Edward Boyden）說。”這是如何發生的？這可以說是生物學的基本問題之一，因此我們想知道，能不能簡單地觀察它的發生？”

新方法利用了以不同速率閃爍的綠色或紅色螢光分子。透過對細胞進行數秒、數分鐘或數小時的成像，然後利用計算演算法提取每個螢光訊號，就能追蹤每個目標蛋白質隨時間變化的數量。

利用四種可切換螢光團，麻省理工學院的研究人員能夠標記並成像這些細胞內的四種不同激酶（前四行）。下一行中，細胞核被標記為藍色。圖片來源：研究人員提供

博伊登是這項研究的資深作者，他也是麻省理工學院生物工程教授、腦與認知科學教授、霍華-休斯醫學研究所研究員、麻省理工學院麥戈文腦研究所和科赫綜合癌症研究所成員，以及楊麗莎仿生學中心（K. Lisa Yang Center for Bionics）的共同主任。麻省理工學院博士後錢勇是論文的第一作者。

螢光訊號的進步

用螢光蛋白標記細胞內的分子使研究人員能夠大量了解許多細胞分子的功能。這類研究通常使用綠色螢光蛋白（GFP），該蛋白在1990 年代首次用於成像。從那時起，又開發了幾種能發出其他顏色光的螢光蛋白用於實驗。

然而，典型的光學顯微鏡只能分辨出其中的兩三種顏色，研究人員只能窺見細胞內發生的整體活動。如果能追蹤更多的標記分子，研究人員就能測量腦細胞在學習過程中對不同神經傳導物質的反應，或是研究促使癌細胞轉移的訊號。

“理想情況下可以即時觀察細胞內的訊號波動，然後了解它們之間的關係。這將告訴我們細胞是如何計算的，」博伊登說。”問題是，無法同時觀察很多東西。”

2020 年，博伊登的實驗室開發出一種方法，透過將發光報告器瞄準細胞內的不同位置，同時對細胞內的多達五種不同分子進行成像。這種方法稱為”空間多重化”，它能讓研究人員分辨出不同分子的訊號，即使它們發出的螢光顏色相同。

在這項新研究中，研究人員採用了不同的方法： 他們沒有根據訊號的物理位置來區分訊號，而是創建了隨時間變化的螢光訊號。這種技術依賴於”可切換螢光團”–能以特定速率開啟和關閉的螢光蛋白。在這項研究中，博伊登和他的研究小組成員確定了四種綠色可切換螢光團，然後又設計了另外兩種，它們都以不同的速率開啟和關閉。他們還確定了兩種以不同速率開關的紅色螢光蛋白，並設計了另外一种红色螢光團。

每種可切換的螢光團都可以用來標記活細胞內不同類型的分子，如酵素、訊號蛋白或細胞骨架的一部分。在對細胞進行數分鐘、數小時甚至數天的成像後，研究人員使用一種計算演算法，從每種螢光團中挑選出特定訊號，這類似於人耳挑選出不同頻率的聲音。

“在交響樂團中，有長笛等高音樂器，也有大號等低音樂器。中間是小號等樂器。”博伊登說：”它們都有不同的聲音，而我們的耳朵會把它們分揀出來。”

研究人員用來分析螢光團訊號的數學技術稱為線性非混合法。這種方法可以提取不同的螢光團訊號，類似於人耳使用一種稱為傅立葉變換的數學模型來提取樂曲中的不同音高。

分析完成後，研究人員就能看到在整個成像過程中，細胞中每個螢光標記分子出現的時間和位置。成像本身只需一台簡單的光學顯微鏡即可完成，無需專業設備。

探索生物現象

在這項研究中，研究人員透過標記哺乳動物細胞中參與細胞分裂週期的六種不同分子，展示了他們的方法。這樣，他們就能確定細胞週期中依賴細胞週期蛋白的激酶的水平是如何變化的。

研究人員也發現，他們還能標記其他類型的激酶，這些激酶幾乎涉及細胞訊號傳導的各個方面，也能標記細胞結構和細胞器，如細胞骨架和粒線體。除了使用在實驗室培養皿中生長的哺乳動物細胞進行實驗外，研究人員還證明這種技術可以在斑馬魚幼體的大腦中發揮作用。

研究人員表示，這種方法有助於觀察細胞如何對營養物質、免疫系統因子、荷爾蒙或神經傳導物質等任何輸入做出反應。它也可以用來研究細胞如何對基因表現的變化或基因突變做出反應。所有這些因素都在生長、老化、癌症、神經退化和記憶形成等生物現像中發揮重要作用。

博伊登說：「我們可以認為所有這些現像都代表了一類普遍的生物問題，即某些短期事件–如攝入某種營養物質、學習某些知識或受到感染–會產生長期變化。”

除了進行這些類型的研究，博伊登的實驗室也正在努力擴大可切換螢光團的範圍，以便研究細胞內的更多訊號。他們也希望調整該系統，使其能用於小鼠模型。