生物成像显微技术逐渐向更加精确和更加有效的方向发展

互联网2013-08-27

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<center> <div> 最新一期(7月)Nature Methods发布了今年年中的一项重要焦点专题：Bioimage Informatics，这一专题中包含一篇社论，一篇人物特写，以及多篇研究进展，其中也包含了来自国内学者的研究新成果。 随着以显微技术为基础的成像技术的发展，所获取生物成像信息数据的规模和复杂度也在快速增长中，从中提取更多定量数据的需求也在增多，这些都需要更加全面的成像和分析方法，以及软件 工具。此次Nature Methods就以此为主题，收集了多篇文章，探讨生物成像信息在显微技术，可获取的特殊工具中的作用，以及这一研究领域所面临的挑战和机遇。 在首篇题为“The quest for quantitative microscopy ”的社论文章中，Nature Methods指出，通过数据信息，显微技术已经逐渐向着更加精确和更加有效的方向发展。 显微技术历来都是一个定性的工具，但是数字显微和摄像技术的发展，以及新型标记和成像技术，都促使这一技术领域更加容易获取到有意义的定量数据，计算机技术也是这一进程中的核心促进力量。显微技术朝着定量方向发展，将能带来重要的科学效益，用于更多的方面，性能和可重复性也得以提高。 目前这一方面的主要限制在于精密光学方法无法充分得以应用，比如分析超高分辨率显微镜数据中的个别荧光基团的算法，还处于起步阶段，研究人员也缺少能工具，来从三位图像集中自动重构神经元网络，这些都阻碍了神经科学研究等领域的发展。 不少研究人员都在寻找解决这些问题的方法，比如在来自中国科学院生物物理研究所 的研究人员就设计出了新型单体光活化荧光蛋白，这类荧光蛋白可应用于高分辨率显微镜中进一步改进活细胞成像。 这项研究找到了两个真正单体荧光蛋白 ：mEos3.1和mEos3.2。mEos2是目前使用最为广泛的PAFPs之一，但mEos2在高浓度下倾向于形成二聚体或多聚体，尤其当mEos2标记膜蛋白时会影响膜蛋白在细胞中的定位。 研究人员为了解决膜蛋白的标记问题，同时发展综合性质更佳的荧光蛋白探针，首先解析了mEos2的晶体结构，找到了引起mEos2在高浓度下寡聚的关键性氨基酸位点，然后对mEos2进行定点突变筛选，最终获得了两个真正单体荧光蛋白：mEos3.1和mEos3.2。进一步的研究显示，mEos3具有成熟时间短、亮度高的特性。用于单分子定位时具有很高的标记密度和光子产出，在超高分辨成像中比当前所有PAFPs都表现出色。 除此之外，还有单细胞显微成像的问题，传统的荧光显微技术在探索单细胞调控网络方面，是一个有力的工具，但是这种技术荧光基团光谱的重叠，限制了同时观察分子种类的数量。 来自加州理工学院的研究人员采用了一种简单有效的技术策略，解决了荧光显微技术中，无法同时观察多种分子种类的问题，让系统生物学进入单细胞时代。 研究人员利用了超高分辨率显微技术，并结合分子标记，极大的提高了单细胞中多重分子检测能力。近年来，超分辨率显微镜领域取得了大量的成果，空间分辨率不断提高，这些技术大大提高科学家们获得单细胞结构清晰图谱的能力。研究人员利用荧光原位杂交FISH制成一种独特的荧光基团组合，用以标记mRNAs，解决了测序，和SRM荧光基团结合问题。通过实验，他们同时在单个酿酒酵母细胞中，同时分析了32个基因的mRNA表达水平。 这项研究证明结合标记，和超高分辨率成像技术，将能简单有效的让系统生物学进入单细胞时代。 Focus on Bioimage Informatics Explosive growth in the size and complexity of microscopy-based imaging data and the need to extract more quantitative data from it increasingly requires sophisticated image acquisition and analysis methods and software tools. A collection of articles discusses the role of bioimage informatics in microscopy, specific tools that are available, and the challenges and opportunities in the field. </div> </center>