分子成像的主要创新同时提供空间和光谱信息

使用物理化学方法观察生物学在纳米尺度上,劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)研究人员发明了一种新技术以前所未有的光谱和空间分辨率图像单一分子,从而导致第一个“真彩色超分辨率显微镜。

教员科学家Ke徐在伯克利实验室的生命科学部门,被称为他的创新SR-STORM或幽灵似地解决随机光学显微镜重建。因为SR-STORM给每个分子的光谱和空间信息,高分辨率成像的技术开门多个组件和当地的化学环境中,如pH值的变化,在一个细胞。

报告的研究是在一篇题为“Ultrahigh-throughput单分子光谱和幽灵似地解决超分辨率显微镜,“与合作者正阳,塞缪尔·肯尼,玛格丽特•豪泽和万历,加州大学伯克利分校。徐还在加州大学伯克利分校化学系助理教授。

“我们测量的位置和光谱每个分子,绘制其super-resolved空间位置在二维和彩色每个分子根据其光谱位置,所以在这个意义上,真彩色超分辨率显微术,这是第一的,”徐说。“这是一种新型的成像技术,结合单分子光谱测量与超分辨率显微术。”

更重要的是,SR-STORM高通量,能够提供空间和光谱信息数以百万计的单分子在大约五分钟,而几分钟的单帧图像组成的分子利用传统scanning-based技术。

徐建立在他所做的工作与美术学壮族作为哈佛大学的博士后研究员,谁发明了风暴,超分辨率显微镜方法基于单分子成像和光电开关。通过制定一个dual-objective系统与两个显微镜镜头面对彼此,徐和他的同事们认为样品的正面和背面同时,取得了前所未有的光学分辨率(约10纳米)的细胞。使用这种方法图像神经元,它们表明,肌动蛋白细胞骨架的重要组成部分(细胞骨架),都有不同的结构在轴突树突,神经元的两部分。

但是目前的超分辨率显微技术不提供光谱信息,有助于科学家了解单个分子的行为,以及使多个目标的高质量的多色成像。

“所以我们构造一个dual-objective系统但分散收集的单分子图像一个物镜为单分子光谱,同时保持其他形象定位,”徐说。“现在我们同时积累的频谱单分子以及他们的立场,所以我们解决了这个难题。”

下他们与14种不同染料染色样品在一个狭窄的发射窗口和兴奋和光电开关分子激光。虽然14染料的光谱严重重叠的因为它们在发射,他们发现单个分子的光谱是令人惊讶的是不同的,因此很容易被识别出来。“这是有用的,因为这意味着我们有一个办法多色成像在一个非常狭窄的发射窗口,”徐说。

事实上,使用四个染料标签四个不同的亚细胞结构,如线粒体和微管,他们能够很容易区分不同的染料分子仅基于光谱的意思,和每一个亚细胞结构不同的颜色。

“所以使用这种方法我们可以看看四个生物组件之间的相互作用在细胞在三维高分辨率约为10纳米,”徐说。“应用程序主要是在基础研究和细胞生物学在这一点上,但希望它将导致医疗应用。这给了我们新的机会观察细胞结构,它们是如何建立,是否有任何结构的退化疾病。”

许多疾病都是通过入侵病原体或引起退化细胞的内部结构。例如,阿尔茨海默氏症可能与神经元内细胞骨架降解。“细胞骨架系统是由一系列相互作用的亚细胞结构和蛋白质,和我们的技术将使研究这些不同目标之间的相互作用以前所未有的数量的颜色通道和空间分辨率,”他说。

接下来,徐试图改进方法通过使用一个简略的系统,并使其与传统的显微镜系统,从而使它更广泛的访问。他还试图开发合适的染料和探测监控当地环境,如pH值,在活细胞在纳米尺度。