德国哥廷根大学医学中心纳米专家Ali Shaib和Silvio Rizzoli开发了一种用于普通光学显微镜的技术——ONE显微镜。这项技术记录了单个蛋白质和从未见过的细胞结构的图像，其细节水平甚至超过了价值数百万美元的“超高分辨率”显微镜。相关研究结果近日发表于预印本网站bioRxiv。
使用现有超高分辨率和扩展显微镜方法（从左至右1-3）以及ONE显微镜技术（4、5）产生的微管蛋白图像。图片来源：bioRxiv
“显微镜技术也应该有某种形式的自由。”Rizzoli指出，该技术的高分辨率适用于很多人，而不是少数有钱的实验室。
传统光学显微镜的能力受到光学定律的限制，这意味着观测小于200纳米物体的结果是模糊的。Rizzoli说，研究人员已经开发出获得超越物理学的超高分辨率的方法，可以将这一极限降低到10纳米左右。这种方法获得了2014年诺贝尔化学奖，它使用光学技巧精确定位附着在蛋白质上的荧光分子。
2015年，研究人员提出了另一种规避光学限制的方法。美国麻省理工学院神经工程师Edward Boyden领导的研究小组发现，充气组织（尿布中使用的一种吸收性化合物）可以使细胞彼此远离。这种被称为膨胀显微镜的技术使显微镜分辨率有了飞跃，可以分辨20纳米左右的结构。
Shaib和Rizzoli的技术融合了这两种方法，可以达到1纳米以下的分辨率。这种清晰度足以揭示单个蛋白质的形状，而此前通常使用更昂贵的结构生物学方法，如冷冻电镜，或X射线结晶学方法对这些蛋白质进行成像。
膨胀显微镜的简单性是其具有吸引力的部分原因，Boyden估计，超过1000个实验室采用了这项技术。样品经过化学处理，将蛋白质固定在一种聚合物上，加入水后，聚合物会膨胀到原来的1000倍，使分子分离。ONE显微镜技术利用热或酶分解蛋白质，这样单个片段在膨胀过程中就会被拉伸到不同的方向。
研究人员已经使用新方法获得了一种神经分子GABAA受体的图片，后者与蛋白质的高分辨率冷冻电镜和X射线结晶学图片非常相似。他们还捕捉到一种名为耳铁蛋白的大体积蛋白质的轮廓，这种蛋白质的结构尚未确定，它有助于在大脑中传递音频信号。这个形状类似于AlphaFold深度学习网络作出的结构预测。
该方法无法与冷冻电镜的分辨率相匹配，后者在某些情况下可以揭示小于0.2纳米的近原子级细节。冷冻电镜技术既精细又昂贵。Rizzoli说，相比之下，ONE显微镜可以提供一种了解几乎任何分子结构的快速而简单的方法。
Rizzoli说，开发这项技术的部分动机是扩大尖端光学显微镜的可及性。ONE显微镜技术简单，适用于20世纪90年代已过时的荧光显微镜。
位于埃及的开罗德国大学制药技术专家Salma Tammam计划今年夏天派一名博士生学习这项技术。她的实验室正在研究纳米颗粒如何在细胞中移动，他们想要看到粒子及其运载物的细节。但与低收入和中等收入国家的许多研究人员一样，他们无法获得昂贵的超高分辨率显微镜。
德国莱布尼茨分子药理学中心生物学家Noa Lipstein说，扩大超高分辨率显微镜的应用范围对资金雄厚机构的科学家也很重要。她最近成立了一个独立的研究小组，并将ONE显微镜应用于对神经突触细节的研究。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1101/2022.08.03.502284
《中国科学报》 (2023-04-19 第2版 国际)