顯微鏡也能開(kāi)“外掛”？！不僅打破了物理極限，還要順手改寫(xiě)生物教科書(shū)？？？

來(lái)源：中科院物理所

作者：Katarina Zimmer

翻譯：LogicMoriaty

審校：姬子隰

原文鏈接：Super-resolution microscopes showcase the inner lives of cells

性能強(qiáng)大的顯微鏡讓我們得以從全新的視角觀察細(xì)胞的生命活動(dòng)。左圖展示了小鼠細(xì)胞核內(nèi) DNA 復(fù)制的細(xì)節(jié)：綠色部分是細(xì)胞的"復(fù)制機(jī)器"，紅色部分是已經(jīng)復(fù)制完成的 DNA，而藍(lán)色的則是組裝成染色質(zhì)的 DNA 。中圖可見(jiàn)小鼠結(jié)締組織細(xì)胞中，構(gòu)成細(xì)胞骨架的肌動(dòng)蛋白纖維呈黃色，而細(xì)胞 DNA被染成了藍(lán)色。右圖展示了一個(gè)正在一分為二的人類細(xì)胞；其遺傳物質(zhì)被標(biāo)記為紅色，而負(fù)責(zé)牽引姐妹染色單體分離的紡錘體則被標(biāo)記為綠色。圖片來(lái)源：洛塔·謝爾梅勒（Lothar Schermelleh）。

先進(jìn)的光學(xué)顯微技術(shù)正大放異彩，幫助科學(xué)家從全新的角度理解人類的生命活動(dòng)以及疾病的致病機(jī)理。

借助夾在兩塊黃銅片之間的一枚微小的球形玻璃透鏡，17世紀(jì)的荷蘭顯微鏡學(xué)家安東尼·范·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）打開(kāi)了微觀世界的大門(mén)，成為第一個(gè)正式描述人體紅細(xì)胞和精子細(xì)胞的人，并在湖水中觀察到了"微動(dòng)物"（animalcules） ，也就是現(xiàn)在所說(shuō)的細(xì)菌和原生生物。

之后，隨著光學(xué)顯微鏡的性能日益強(qiáng)大，人們進(jìn)一步看到了細(xì)胞核和負(fù)責(zé)產(chǎn)生能量的線粒體等細(xì)胞器。但到了1873年，科學(xué)家們意識(shí)到光學(xué)顯微鏡的分辨率存在一個(gè)極限。當(dāng)光線穿過(guò)透鏡時(shí)會(huì)發(fā)生衍射，這意味著，如果兩個(gè)物體的間距小于約 250 納米（即400萬(wàn)分之一米），顯微鏡就無(wú)法分辨它們，只能看到模糊一片。這一衍射極限使得細(xì)胞結(jié)構(gòu)的內(nèi)部運(yùn)作機(jī)制曾一度是無(wú)法觸及的盲區(qū)。

雖然電子顯微鏡可以通過(guò)使用電子束代替可見(jiàn)光進(jìn)行成像，從而提供更高的分辨率，但是其成像是黑白的，這導(dǎo)致難以區(qū)分不同的蛋白質(zhì)。而且由于電鏡樣本通常需要固定和脫水，所以只能用來(lái)觀察已死亡的細(xì)胞。

不過(guò)現(xiàn)在，光學(xué)工程師和物理學(xué)家們已經(jīng)研發(fā)出了更加精妙的技術(shù)，成功克服了光學(xué)顯微鏡的衍射極限，打開(kāi)了一個(gè)全新的微觀細(xì)節(jié)世界。這些"超分辨率"光學(xué)顯微技術(shù)的分辨率可達(dá) 100 納米，有時(shí)甚至能低于 10 納米。科學(xué)家們可以將微小的彩色熒光標(biāo)簽附著在單個(gè)蛋白質(zhì)或 DNA 片段上，并且往往是在活細(xì)胞內(nèi)，從而實(shí)時(shí)觀察它們的活動(dòng)。正是得益于此，科學(xué)家們正在深入理解細(xì)胞的運(yùn)作機(jī)制，以及神經(jīng)系統(tǒng)疾病、癌癥和病毒感染背后的病理原因，逐步填補(bǔ)這些關(guān)鍵的知識(shí)空白。

“我們現(xiàn)在真的能夠看到全新的生物學(xué)現(xiàn)象——那些我們長(zhǎng)期以來(lái)希望看到，但是此前一直未能目睹的東西，”英國(guó)牛津大學(xué)成像中心主任、分子細(xì)胞生物學(xué)家洛塔·謝爾梅勒（Lothar Schermelleh）表示。以下正是科學(xué)家們?cè)谶@個(gè)光學(xué)顯微技術(shù)的新時(shí)代中所獲得的的部分新發(fā)現(xiàn)。

突破衍射極限

謝爾梅勒解釋說(shuō)，超分辨率顯微鏡采用了多種技術(shù)來(lái)探測(cè)那些一般被衍射極限掩蓋起來(lái)的細(xì)節(jié)。例如單分子定位顯微技術(shù)，它利用了這樣一個(gè)原理：如果光點(diǎn)是單獨(dú)出現(xiàn)的，而不是擠成一團(tuán)，我們就能更精確地找到它的位置。基于這個(gè)原理，科學(xué)家給想要觀察的目標(biāo)分子貼上特殊的熒光標(biāo)簽，讓它們自發(fā)發(fā)光。當(dāng)這些標(biāo)簽像星星一樣忽明忽暗地閃爍時(shí)，計(jì)算機(jī)模型就能夠推算出每個(gè)分子的確切位置，進(jìn)而重構(gòu)出樣本的高分辨率圖像。

還有受激發(fā)射損耗技術(shù)（Stimulated emission depletion，STED），其利用激光掃描樣本，但是這束激光被另一束像甜甜圈一樣的激光環(huán)所包裹，而這個(gè)激光環(huán)能把中心點(diǎn)周圍不需要的熒光“抹去”，從而銳化顯微鏡的分辨率，讓成像顯得更加清晰銳利。第三種技術(shù)是結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)（Structured illumination microscopy，SIM），使用條紋狀的結(jié)構(gòu)光來(lái)照射樣本。這些條紋光會(huì)與樣本發(fā)出的光發(fā)生干涉，使得科學(xué)家能夠從中推斷出更多圖像中原本看不清的細(xì)節(jié)。

謝爾梅勒指出，這些技術(shù)的基礎(chǔ)原理早在 21 世紀(jì)初就已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，但直到最近，才得到真正普及，讓生物學(xué)家們能夠像使用普通儀器一樣日常地使用它們。“如今我們是真的有大量的研究項(xiàng)目在拿超分辨率顯微鏡做正經(jīng)的生物學(xué)研究，”他說(shuō)，“而不再只是為了拍出好看的照片。

改寫(xiě)生物學(xué)教科書(shū)

得益于這些新技術(shù)，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了全新的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元擁有一種獨(dú)特的支架，稱為“膜相關(guān)周期性骨架”（Membrane-associated periodic skeleton，簡(jiǎn)稱 MPS）。它不僅能讓細(xì)胞保持硬度和形狀，還能協(xié)助調(diào)節(jié)神經(jīng)信號(hào)的傳遞，對(duì)維持細(xì)胞整體功能至關(guān)重要。“MPS 幾乎參與了所有的神經(jīng)元功能，”哥倫比亞大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家維克多·馬卡龍-帕拉西奧斯（Victor Macarrón-Palacios）如此表示。他與他同事最近的研究指出，有一種名為 paralemmin-1的特殊蛋白質(zhì)在負(fù)責(zé)構(gòu)建 MPS 這一精細(xì)而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

專門(mén)的顯微技術(shù)揭示了神經(jīng)細(xì)胞具有一種特殊的內(nèi)部骨架，稱為“膜相關(guān)周期性骨架”。這種高度有序的納米結(jié)構(gòu)骨架受到一種名為 paralemmin-1的蛋白質(zhì)調(diào)控（圖中顯示的熒光標(biāo)記部分）。圖片來(lái)源： 維克多·馬卡龍-帕拉西奧斯（Victor Macarrón-Palacios）/ 馬克斯·普朗克醫(yī)學(xué)研究所（Max Planck Institute for Medical Research）。

新的發(fā)現(xiàn)表明其他的細(xì)胞結(jié)構(gòu)比我們想象中的要復(fù)雜得多。2025 年早些時(shí)候，賓夕法尼亞大學(xué)的生物物理學(xué)家梅麗克·拉卡達(dá)米亞利（Melike Lakadamyali）和她的同事發(fā)現(xiàn)，溶酶體，這種在教科書(shū)中被認(rèn)為負(fù)責(zé)分解細(xì)胞廢物的細(xì)胞器，其表面可能存在不同的蛋白質(zhì)組合。這說(shuō)明特定的溶酶體可能還承擔(dān)著其他任務(wù)，例如感知營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和修復(fù)受損的細(xì)胞膜。

科學(xué)家們還在研究細(xì)胞器之間是如何相互作用的。例如，美國(guó)弗吉尼亞州霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（Howard Hughes Medical Institute）珍利亞研究園區(qū)（Janelia Research Campus）的細(xì)胞生物學(xué)家詹妮弗·利平科特-施瓦茨（Jennifer Lippincott-Schwartz），正在深入研究線粒體是如何“停靠”在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的。她關(guān)注的是兩者對(duì)接處的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，因?yàn)閮?nèi)質(zhì)網(wǎng)不僅負(fù)責(zé)合成蛋白質(zhì)，還要給線粒體輸送鈣和脂肪。

此類研究或許有助于揭示一些疾病的成因。去年，利平科特-施瓦茨發(fā)現(xiàn)，VAPB基因的突變可能會(huì)干擾內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體的連接能力，導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)無(wú)法正常連接到線粒體上，而這個(gè)基因被認(rèn)為與一種破壞神經(jīng)的疾病，即“肌萎縮側(cè)索硬化癥”（Amyotrophic lateral sclerosis，ALS，俗稱漸凍癥）有關(guān)。她說(shuō)，這種干擾可能會(huì)改變線粒體這一“能量工廠”的功能，從而有助于解釋漸凍癥是如何發(fā)病的。“對(duì)于那些導(dǎo)致疾病的各種基因突變，我們才剛剛開(kāi)始了解它們?cè)诩?xì)胞生物學(xué)層面上究竟在起什么作用。”

深入觀察人類 DNA

科學(xué)家們也在深入觀察細(xì)胞核，研究其中的DNA。如果將一個(gè)人類細(xì)胞內(nèi)的 DNA 取出并拉直，其長(zhǎng)度約為兩碼（約 1.8 米）。為了能塞進(jìn)微小的細(xì)胞核里，DNA 會(huì)像線一樣纏繞在被稱為組蛋白的蛋白質(zhì)上，形成一串珠子似的結(jié)構(gòu)，即染色質(zhì)。染色質(zhì)再進(jìn)一步盤(pán)曲折疊，最終就形成了我們的染色體。

謝爾梅勒一直在研究哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)是如何在三維空間中排列的。他指出，染色質(zhì)的環(huán)狀和簇狀結(jié)構(gòu)（也被稱為“結(jié)構(gòu)域”），只有利用超分辨率顯微技術(shù)，例如使用熒光標(biāo)簽標(biāo)記 DNA 片段，才能夠看清楚。“這些結(jié)構(gòu)的尺度恰好略低于衍射極限，所以以前根本沒(méi)法觀察研究。”

在成纖維細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)，一種名為H2B的DNA結(jié)合組蛋白被熒光標(biāo)記為黃色。圖像的上半部分是用常規(guī)寬場(chǎng)熒光顯微技術(shù)拍攝的；下半部分則是用超分辨率顯微技術(shù)拍攝的。圖片來(lái)源：M.A. Ricci 等/《細(xì)胞》（Cell）2015。

例如，拉卡達(dá)米亞利就發(fā)現(xiàn)，由 DNA 與組蛋白構(gòu)成的“串珠”，其組織結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比科學(xué)家原來(lái)以為的要更加多變，其中某些 DNA 區(qū)域的堆積致密程度要高于其他區(qū)域。

這種打包方式?jīng)Q定了特定 DNA 區(qū)域的“可及性”，也就是是否容易被接觸到。這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)槿梭w內(nèi)不同的細(xì)胞，比如心肌細(xì)胞或神經(jīng)元，只需要使用一小部分特定的基因。那些需要被使用的基因會(huì)維持在一種較為松散、易于接觸的狀態(tài)，而其他被“沉默”的基因則會(huì)被緊緊地壓縮起來(lái)。

2015 年，拉卡達(dá)米亞利發(fā)現(xiàn)，能夠分化成任何細(xì)胞類型的胚胎干細(xì)胞，其染色質(zhì)結(jié)構(gòu)非常松散；相比之下，那些已經(jīng)將不需要的基因“沉默”的特化細(xì)胞，其染色質(zhì)結(jié)構(gòu)則緊密得多。“我們實(shí)際上可以根據(jù)染色質(zhì)的空間組織形式，來(lái)判斷一個(gè)細(xì)胞究竟是干細(xì)胞還是分化細(xì)胞，”拉卡達(dá)米亞利說(shuō)道。她曾與人合著了一篇超分辨率技術(shù)綜述，于 2023 年發(fā)表在《生物物理學(xué)年度評(píng)論》（Annual Review of Biophysics）上。

改善癌癥療法

科學(xué)家們還將目光投向了病變細(xì)胞 。例如，德國(guó)維爾茨堡大學(xué)（University of Würzburg）的生物物理學(xué)家馬庫(kù)斯·薩奧爾（Markus Sauer）正在研究癌細(xì)胞表面的特定受體蛋白，這些蛋白是抗癌療法中的攻擊靶點(diǎn)。就拿血癌來(lái)說(shuō)，科學(xué)家已經(jīng)能通過(guò)基因工程改造免疫細(xì)胞，讓它們?nèi)プ粉櫜⑾麥缒切┍砻鎺в刑囟ǖ鞍椎陌┘?xì)胞。

但是，薩奧爾表示，那些通常用來(lái)分析病人癌細(xì)胞蛋白、幫助醫(yī)生選擇有效療法的技術(shù)，往往并不夠全面。這一點(diǎn)早在 2015 年就得到了證實(shí)，當(dāng)時(shí)醫(yī)生發(fā)現(xiàn)，用針對(duì) CD19 受體的藥物治療多發(fā)性骨髓瘤（一種血癌）效果很好。然而奇怪的是，按照當(dāng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法，這些癌細(xì)胞上根本就"看"不到 CD19。

2019 年，薩奧爾和他的同事發(fā)現(xiàn)，利用超分辨率顯微技術(shù)，CD19蛋白其實(shí)清晰可見(jiàn)。并且他們研究發(fā)現(xiàn)，免疫療法的"眼力"非常好：即便癌細(xì)胞表面混雜了成百上千種其他的蛋白質(zhì)，但只要有區(qū)區(qū)10個(gè)CD19蛋白，就足以讓免疫療法識(shí)別并殺死癌細(xì)胞。”

一種新的顯微技術(shù)能夠點(diǎn)亮癌細(xì)胞表面的CD19蛋白。圖中展示了多發(fā)性骨髓瘤患者細(xì)胞上的這種蛋白，檢測(cè)它有助于確定哪些患者能從靶向CD19的療法中受益。圖片來(lái)源： 馬庫(kù)斯·薩奧爾（Markus Sauer）。

薩奧爾指出，利用這些顯微技術(shù)，我們可以更精準(zhǔn)地為患者找到對(duì)癥的療法。他最近的研究不僅發(fā)現(xiàn)了一種新的治療靶點(diǎn)受體蛋白，還弄清楚了殺傷腫瘤的具體過(guò)程。這些新知識(shí)將有助于改善免疫療法，讓它更加有效。而做到這些的關(guān)鍵在于，“你必須在分子水平上親眼看到這些過(guò)程，”他說(shuō)道。

拍攝病毒入侵

病毒用來(lái)感染人類細(xì)胞并進(jìn)行自我復(fù)制的那些狡猾伎倆，也是科學(xué)家們的研究對(duì)象。德國(guó)亥姆霍茲感染研究中心（Helmholtz Centre for Infection Research）的病毒學(xué)家克里斯蒂安·齊本（Christian Sieben）表示，了解這些動(dòng)態(tài)過(guò)程，能幫助科學(xué)家研發(fā)出新的抗病毒藥物。

例如， 2025 年初，齊本展示了甲型流感病毒感染人類細(xì)胞的過(guò)程。通過(guò)對(duì)病毒蛋白和人類蛋白進(jìn)行標(biāo)記，他和他的同事觀察到，病毒最初只會(huì)附著在細(xì)胞表面的單個(gè)受體蛋白上。隨后，病毒會(huì)靜靜等待，直到其他在細(xì)胞膜上游走的受體蛋白聚集到附近（因?yàn)榧?xì)胞膜具有流動(dòng)性）。齊本和他的同事發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)病毒與多個(gè)受體結(jié)合后，它才能成功鉆進(jìn)細(xì)胞里。

此外，2024 年，斯坦福大學(xué)的一組科學(xué)家研究了新冠病毒（Covid-19）在人體細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行復(fù)制的過(guò)程。生物物理學(xué)家列昂尼德·安德羅諾夫（Leonid Andronov）及其同事利用熒光標(biāo)簽標(biāo)記了病毒的遺傳物質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn) SARS-CoV-2 會(huì)給自己制造一個(gè)具有雙層膜的“氣泡”，并躲在里面復(fù)制自己的遺傳物質(zhì)。安德羅諾夫認(rèn)為，這很可能是為了躲避細(xì)胞的攻擊和破壞。

當(dāng)新冠病毒在人體細(xì)胞內(nèi)復(fù)制時(shí)，它會(huì)將自己包裹在雙層膜氣泡中，以躲避細(xì)胞免疫系統(tǒng)的攻擊。在圖中，這些氣泡呈現(xiàn)為病毒熒光標(biāo)記遺傳物質(zhì)的團(tuán)塊狀聚集物。圖片中央的黑色圓形部分是細(xì)胞核。圖片來(lái)源：L. Andronov 等/ 《自然-通訊》（Nature Communications） 2024。

隨著越來(lái)越多的科學(xué)家利用超分辨率顯微鏡來(lái)觀察細(xì)胞內(nèi)部的活動(dòng)，他們還能期望看到多少更深層的細(xì)節(jié)呢？拉卡達(dá)米亞利認(rèn)為，技術(shù)的改進(jìn)，比如研發(fā)更小的熒光探針——這使得人們能夠在單個(gè)蛋白質(zhì)上打上多個(gè)標(biāo)簽——有望進(jìn)一步提升分辨率。

也許有一天，超分辨率顯微鏡的進(jìn)步能夠與電子顯微鏡相媲美。畢竟，就在二十年前，“我們甚至還不知道我們可以突破衍射極限，但是在這二十年里，我們?nèi)〉昧巳绱司薮蟮倪M(jìn)展。所以我認(rèn)為，這是完全有可能的。” 拉卡達(dá)米亞利這么認(rèn)為。

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