【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(chǎng)調(diào)控、顯微成像、量子光學(xué)、立體顯示等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在生物學(xué)中，通過偏振成像測(cè)量熒光團(tuán)的偶極子方向，可以揭示靶蛋白的取向。超分辨顯微技術(shù)雖然能夠突破光的衍射極限，實(shí)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(yīng)用中受到了極大限制。
為了研究蛋白在亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的定位和取向，北京大學(xué)工學(xué)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(jié)構(gòu)光顯微技術(shù)(pSIM)。相關(guān)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(jié)構(gòu)光成像(SIM)由于其分辨率高、成像速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠高度兼容于活細(xì)胞成像，從而受到生物學(xué)家的青睞。借鑒SIM成像原理，席鵬等人構(gòu)建了空間-方位角的高維復(fù)合空間，同時(shí)提取熒光偶極子的方位角與空間超分辨信息，從而實(shí)現(xiàn)了偏振結(jié)構(gòu)光成像。
為了驗(yàn)證這一技術(shù)與SIM的廣泛兼容特性，研究人員測(cè)試了多種商用SIM系統(tǒng)及自主搭建的SIM平臺(tái)，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(jié)構(gòu)信息。他們進(jìn)行了大量的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)來證明其廣泛的適用性，如λ-DNA、BAPE細(xì)胞和小鼠腎組織中的肌動(dòng)蛋白絲、肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白之間的相互作用，以及中GFP染色的U2OS活細(xì)胞微管。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)神經(jīng)元中的膜相關(guān)周期骨架(MPS)進(jìn)行了研究。pSIM以高的空間分辨率和準(zhǔn)確的偏振檢測(cè)，揭示了肌動(dòng)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(dòng)蛋白環(huán)“端到端”的結(jié)構(gòu)假設(shè)。pSIM具有高的時(shí)空分辨率和獨(dú)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(yīng)用前景。
pSIM揭示了肌動(dòng)蛋白環(huán)在MPS中“并排”組裝的新模型
一般來說，一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)通常采取如下兩種途徑來造福科研界：1、將相關(guān)技術(shù)開放獲取，其他學(xué)者通過搭建類似系統(tǒng)來得到應(yīng)用；2、將相關(guān)技術(shù)商業(yè)化，其他學(xué)者通過采購儀器來得到應(yīng)用。該工作開辟了推動(dòng)科研的第三條途徑：通過深入挖掘SIM技術(shù)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(cè)特性，使現(xiàn)有系統(tǒng)不經(jīng)任何改動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)偏振SIM的功能。這使得許多已有SIM系統(tǒng)的生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室可以直接進(jìn)行偏振SIM的分析，將極大地推進(jìn)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(shù)和SIM超分辨技術(shù)的開發(fā)，如：1、利用偏振特性的熒光偶極子超分辨技術(shù)(SDOM)發(fā)表在Light: Science and Applications，并得到Nature Methods的高度評(píng)價(jià)(相關(guān)鏈接http://news.pku.edu.cn/xwzh/129-295505.htm)；2、將SDOM應(yīng)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(shù)來提升結(jié)構(gòu)光成像的速率2倍以上(IEEE TIP2018)；4、參與了Hessian-SIM超高速結(jié)構(gòu)光成像技術(shù)的開發(fā)，并提出滾動(dòng)SIM技術(shù)，可提升SIM成像速度3倍以上(Nature Biotechnology 2018)。這些科研進(jìn)展為該工作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
席鵬和清華大學(xué)戴瓊海院士是這項(xiàng)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(xué)博雅博士后計(jì)劃資助，共同作者陳星曄為清華大學(xué)自動(dòng)化系博士生。本文的神經(jīng)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)與北京大學(xué)麥戈文腦科學(xué)中心張研教授課題組合作完成，體外肌動(dòng)蛋白實(shí)驗(yàn)由中國科學(xué)院動(dòng)物所李向東教授課題組合作完成，活細(xì)胞微管成像由北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳曉偉課題組合作完成。這項(xiàng)工作的SIM超分辨顯微成像在北京大學(xué)生物顯微平臺(tái)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(xué)基金委、科技部、北京市科委杰出青年科學(xué)基金、北京大學(xué)臨床+X項(xiàng)目和儀器專項(xiàng)的資助。
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