华裔科学家发明活细胞超分辨率荧光成像技术

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作为第一位获美国麦克阿瑟基金会“天才奖”的华人女科学家，庄小威教授获得了许多重要成果，尤其是在生物物理显微成像领域，近期庄小威教授发表了题为“Fast, three-dimensional super-resolution imaging of live cells”的论文，介绍了其研究组在超分辨率细胞成像研究方面的最新进展——活细胞超分辨率荧光成像技术，这一研究成果公布在《自然—方法学》（Nature Methods）在线版上。

传统光学显微镜受限于光的波长，对于200nm以下的物体无法分辨。虽然电子显微镜可以达到纳米级的分辨率，但电流容易造成样品破坏，因此能观测的样本也相当有限。分子生物学家虽然可以把若干目标蛋白质贴上荧光卷标，但这些蛋白质还是经常挤在一块，在显微镜下难以分辨开来。

近几年高分辨率荧光显微镜研发，使得研究者可以从纳米级观测细胞突起的伸展，从而宣告200—750纳米大小范围的模糊团块时代结束。比如光敏定位显微镜（PALM）可以用来观察纳米级生物，相较于电子显微镜有更清晰的对比度，如果给不同蛋白接上不同的荧光标记，就可以进一步研究蛋白质间的相互作用。

庄小威研究组一直在研究如何用光敏开关探针来实现单分子发光技术。他们希望能用光敏开关将原本重叠在一起的几个分子图像暂时分开，这样就能获得单分子图像，从而提高分辨率。

2004年庄小威研究组偶然发现某种花青染料具有光控开关，即通过使用不同颜色的光，可以随意地把它们激活成荧光状态和失活成黑暗状态。自此庄小威开始研究这些光控探针，用它们来短暂地分离个体分子在空间上的重叠影像从而提高分辨率。

在《自然—方法学》的文章中，庄小威研究组命名了一种随机光学重建显微镜（stochastic optical reconstruction microscopy, STORM）。使用STORM可以以20nm的分辨率看到DNA分子和DNA-蛋白质复合体分子。这一方法基于光子可控开关的荧光探针和质心定位原理，在双激光激发下荧光探针随机发光，通过分子定位和分子位置重叠重构形成超高分辨率的图像，其空间分辨率目前可达20nm。

STORM虽然可以提供更高的空间分辨率，但成像时间往往需要几分钟，而且还不能满足活体实时可视的成像需要。活细胞成像十分重要，但是要在不影响细胞正常生命活动的前提下实现高分辨率成像并不容易。庄小威研究组在这篇文章中报道了通过带有高时空分辨率的STORM，获得活细胞超高分辨率荧光成像的研究成果。

研究人员直接或间接（通过SNAP）用光敏开关染料标记蛋白，从而获得二维和三维的活细胞超高分辨率成像，这些成像成果将有利于进一步分析研究活体细胞内部活动，而且这一方法也为科学家分析活细胞超微结构打开了一扇窗。