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Nat Methods突破:徐涛/纪伟团队研制新型三维超分辨显微成像技术

日期:2021-04-02  浏览次数:1271

来源:BioArt


显微镜是最重要的生物医学研究工具之一,自17世纪列文虎克把显微镜应用于微生物研究以来,人们一直孜孜不倦地追求显微镜分辨率的提高,以期待看到更微小的细胞结构,了解生命活动的本质。但由于光学显微镜分辨率受衍射现象限制(Abbe,1873年),在进入本世纪前一直没有取得突破。


进入21世纪以来多种超高分辨率荧光成像技术几乎同时被提出, 其中基于单分子定位的超分辨显微成像技术自2006年提出以来得到快速发展,并于2014年获得诺奖。该技术巧妙地利用特殊荧光分子的光开关特性,结合单分子成像和质心拟合算法,绕过衍射现象的限制,把荧光显微镜的分辨率提高了一个数量级。通过这项技术解析了众多未知的细胞纳米结构,提升了我们对细胞结构的认知。但长期以来,受定位原理的限制,其轴向分辨率比侧向低2-3倍(一般为50 nm左右),限制了这项技术对细胞结构三维解析的能力和应用。


2021年4月1日,中国科学院生物物理研究所徐涛院士课题组与纪伟课题组在Nature Methods杂志发表了题为 Molecular-scale axial localization by repetitive optical selective exposure 的研究论文,提出了一种轴向单分子定位成像新技术,并据此研制出新型干涉定位显微镜(ROSE-Z),把单分子定位成像的轴向分辨率提升至优于侧向分辨率的水平,实现了纳米尺度的三维解析能力。


这是该团队在2019年突破单分子定位显微镜侧向分辨率后的延伸研究。继上个工作把侧向分辨极限推进到3 nm后,该工作通过引入非对称干涉光路,实现了轴向的单分子干涉定位。得力于高精度的干涉测量方法,ROSE-Z在新的维度上突破了轴向分辨率的极限,比传统的柱面镜成像方法定位精度提高6倍以上,从而实现了超高分辨率的三维单分子定位以及纳米结构解析能力(图1)



图1. ROSE-Z 轴向干涉定位原理(上),ROSE-Z与柱面镜成像的点扩散函数(PSF)比较(左下)及定位精度比较(右下)


通过ROSE-Z显微镜提供的高分辨率三维解析能力,成功实现了对细胞内微管直径约40-50 nm中空结构的解析。这种三维解析能力是现有柱面镜成像方法所无法实现的(图2)。同时团队在ROSE-Z显微镜的基础上扩展了多色成像以及厚样品成像功能,对细胞样品进行了纳米精度三维双色成像(图3),并验证了细胞厚样品成像能力(图4)。这些结果证明该方法在具备优异的轴向分辨率的同时,也具备很高的可扩展性以及操作便捷性,为细胞内三维纳米结构的研究提供了有力的研究工具。


图2. ROSE-Z解析微管纤维中空管状结构


图3. 双色ROSE-Z成像对微管及线粒体外膜的同时解析


图4. ROSE-Z用于解析厚度约2.4微米的线粒体外膜结构



徐涛院士团队近年来聚焦于显微成像仪器设备和技术方法的开发,提出了一系列新的超分辨显微成像算法、探针和技术,并广泛应用于细胞生物学研究,相关工作发表于Nature Methods 4篇、Cell Research 3篇、Cell MetabolismEMBO J.、PNAS、Nature Communications、Protein Cell、Biophysical Journal等杂志,并申请专利20多项。


徐涛院士和纪伟研究员为该论文共同通讯作者,谷陆生、李媛媛、张淑文为共同第一作者。


原文链接:
https://dx.doi.org/10.1038/s41592-021-01099-2