【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】偏振是光作為電磁波的基本物理屬性之一。偏振特性在光場調(diào)控、顯微成像、量子光學、立體顯示等領域得到了廣泛的應用。在生物學中，通過偏振成像測量熒光團的偶極子方向，可以揭示靶蛋白的取向。超分辨顯微技術雖然能夠突破光的衍射極限，實現(xiàn)百納米尺度的高分辨率成像，但是由于無法獲知生物分子的取向性，在應用中受到了極大限制。
為了研究蛋白在亞細胞結構中的定位和取向，北京大學工學院席鵬研究員課題組與同事近期聯(lián)合開發(fā)了偏振光結構光顯微技術(pSIM)。相關研究成果以“Super-resolution imaging of fluorescent dipoles via polarized structured illumination microscopy”為題，于10月16日發(fā)表在《自然·通訊》期刊。
結構光成像(SIM)由于其分辨率高、成像速度快等優(yōu)點，能夠高度兼容于活細胞成像，從而受到生物學家的青睞。借鑒SIM成像原理，席鵬等人構建了空間-方位角的高維復合空間，同時提取熒光偶極子的方位角與空間超分辨信息，從而實現(xiàn)了偏振結構光成像。
為了驗證這一技術與SIM的廣泛兼容特性，研究人員測試了多種商用SIM系統(tǒng)及自主搭建的SIM平臺，以及2D-SIM、3D-SIM、TIRF-SIM成像能力，成功提取熒光分子的偶極子方位信息與超分辨結構信息。他們進行了大量的生物學實驗來證明其廣泛的適用性，如λ-DNA、BAPE細胞和小鼠腎組織中的肌動蛋白絲、肌動蛋白和肌球蛋白之間的相互作用，以及中GFP染色的U2OS活細胞微管。研究團隊對神經(jīng)元中的膜相關周期骨架(MPS)進行了研究。pSIM以高的空間分辨率和準確的偏振檢測，揭示了肌動蛋白環(huán)在MPS中“并排”組裝的新模型，推翻了以往教科書上肌動蛋白環(huán)“端到端”的結構假設。pSIM具有高的時空分辨率和獨特的偶極子方向信息，在未來解決各種生物問題方面具有廣闊的應用前景。
pSIM揭示了肌動蛋白環(huán)在MPS中“并排”組裝的新模型
一般來說，一項創(chuàng)新技術通常采取如下兩種途徑來造福科研界：1、將相關技術開放獲取，其他學者通過搭建類似系統(tǒng)來得到應用；2、將相關技術商業(yè)化，其他學者通過采購儀器來得到應用。該工作開辟了推動科研的第三條途徑：通過深入挖掘SIM技術及商用儀器的潛在特性，為現(xiàn)有的SIM系統(tǒng)“賦能”，挖掘出了包括其發(fā)明人都沒有注意到的現(xiàn)有SIM系統(tǒng)內(nèi)在的偏振探測特性，使現(xiàn)有系統(tǒng)不經(jīng)任何改動，就可以實現(xiàn)偏振SIM的功能。這使得許多已有SIM系統(tǒng)的生命科學實驗室可以直接進行偏振SIM的分析，將極大地推進偏振超分辨成像的研究。
席鵬課題組近年來致力于偏振超分辨技術和SIM超分辨技術的開發(fā)，如：1、利用偏振特性的熒光偶極子超分辨技術(SDOM)發(fā)表在Light: Science and Applications，并得到Nature Methods的高度評價(相關鏈接http://news.pku.edu.cn/xwzh/129-295505.htm)；2、將SDOM應用于金納米粒子的SERS超分辨成像(Nanoscale 2018)；3、開發(fā)了減幀SIM技術來提升結構光成像的速率2倍以上(IEEE TIP2018)；4、參與了Hessian-SIM超高速結構光成像技術的開發(fā)，并提出滾動SIM技術，可提升SIM成像速度3倍以上(Nature Biotechnology 2018)。這些科研進展為該工作奠定了堅實基礎。
席鵬和清華大學戴瓊海院士是這項工作的共同通訊作者，共同作者、共同通訊作者張昊博士得到了北京大學博雅博士后計劃資助，共同作者陳星曄為清華大學自動化系博士生。本文的神經(jīng)細胞實驗與北京大學麥戈文腦科學中心張研教授課題組合作完成，體外肌動蛋白實驗由中國科學院動物所李向東教授課題組合作完成，活細胞微管成像由北京大學生命科學學院陳曉偉課題組合作完成。這項工作的SIM超分辨顯微成像在北京大學生物顯微平臺完成，得到了單春燕等老師的幫助。該工作得到國家自然科學基金委、科技部、北京市科委杰出青年科學基金、北京大學臨床+X項目和儀器專項的資助。
所有評論僅代表網(wǎng)友意見，與本站立場無關。