來(lái)自喬治亞理工學(xué)院和加州大學(xué)舊金山分校的研究人員近日開發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù)，可大大提高科學(xué)家們獲得運(yùn)動(dòng)中的單細(xì)胞結(jié)構(gòu)清晰圖譜的能力。利用壓縮傳感鑒別分子，這項(xiàng)新技術(shù)為我們提供了必要的空間分辨率以及可能比以前更快的時(shí)間分辨率。相關(guān)研究論文發(fā)布在4月22日的《自然方法》(Nature Methods)雜志上。
盡管在過(guò)去的幾年里，超分辨率顯微鏡領(lǐng)域取得了大量的成果，空間分辨率不斷提高，然而由于需要高時(shí)間分辨率活細(xì)胞成像仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。
在這篇文章中，來(lái)自喬治亞州理工學(xué)院George W. Woodruff機(jī)械工程學(xué)院的助理教授朱磊(Lei Zhu，音譯)和加州大學(xué)舊金山分校**化學(xué)系和生物化學(xué)與生物物理學(xué)系助理教授黃波(Bo Huang)開發(fā)出了一種先進(jìn)的技術(shù)，利用超分辨率顯微鏡解析了相比過(guò)去能看到的小一個(gè)數(shù)量級(jí)的細(xì)胞元件。這使得研究人員能夠挖掘到從前無(wú)法觸及的信息，解答新的生物學(xué)問(wèn)題。
過(guò)去超分辨率顯微鏡采用的單分子開關(guān)(single-molecule-switching)技術(shù)主要依賴于將單分子成像稀疏地散布到大量，通常是成千上萬(wàn)的照相機(jī)像幀(camera frames)上。它在時(shí)間分辨率上極其受限，無(wú)法在活細(xì)胞中追蹤動(dòng)態(tài)過(guò)程。
朱磊說(shuō)：“現(xiàn)在利用我們的成果，使用具有秒或甚至子秒(sub-second)時(shí)間分辨率的超分辨率顯微鏡可以大視野地追蹤更多的動(dòng)態(tài)細(xì)胞過(guò)程。我們對(duì)于單細(xì)胞生命的知識(shí)大部分都來(lái)自于我們觀察細(xì)胞中微小結(jié)構(gòu)的能力。”
黃波指出：“其中的一種應(yīng)用就是研究細(xì)胞的能量工廠線粒體與其他細(xì)胞器和細(xì)胞生命周期過(guò)程中結(jié)構(gòu)重塑的細(xì)胞骨架之間的互作機(jī)制。”
當(dāng)前，光學(xué)顯微鏡，尤其是熒光顯微鏡仍然被許多生物學(xué)家經(jīng)常使用。然而作者們認(rèn)為傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡有一個(gè)主要的局限：由于受到衍射現(xiàn)象的影響，無(wú)法解析距離小于半個(gè)光波的物體。無(wú)論使用多高的放大倍數(shù)，衍射均使得成像看起來(lái)模糊，相互重疊。
“衍射限制一直以來(lái)被視為是光學(xué)顯微鏡的一個(gè)基礎(chǔ)局限，直到近期發(fā)明了超分辨率熒光顯微鏡技術(shù)，”朱磊說(shuō)。超分辨率顯微鏡技術(shù)，例如隨機(jī)光重建顯微鏡 (stochastic optical reconstruction microscopy，STORM)和光敏定位顯微鏡(photoactivated localization microscopy, PALM)，均依賴于記錄樣品中單個(gè)分子的光發(fā)射(light emission)的能力。
利用可在可視與不可視狀態(tài)間轉(zhuǎn)換的標(biāo)記分子，STORM/PALM可確定每個(gè)目的分子的位置。這些位置終定義結(jié)構(gòu)。
原文摘要：
Faster STORM using compressed sensing
In super-resolution microscopy methods based on single-molecule switching, the rate of accumulating single-molecule activation events often limits the time resolution. Here we developed a sparse-signal recovery technique using compressed sensing to analyze images with highly overlapping fluorescent spots. This method allows an activated fluorophore density an order of magnitude higher than what conventional single-molecule fitting methods can handle. Using this method, we demonstrated imaging microtubule dynamics in living cells with a time resolution of 3 s.
