熒光顯微鏡對結(jié)構(gòu)或分子的解析效果取決于從結(jié)構(gòu)中收集的光量。在熒光顯微鏡中，可以延長曝光時(shí)間以增加檢測到的光量。然而，微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出隨機(jī)和定向運(yùn)動。延長曝光時(shí)間會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)模糊。
現(xiàn)在，研究人員開發(fā)了一種技術(shù)，可以在任何感興趣的時(shí)間點(diǎn)(幾毫秒內(nèi))直接在熒光顯微鏡上觀察活細(xì)胞中的分子動態(tài)，從而捕獲分子活動模式。通過這樣做，可以同時(shí)繞過運(yùn)動模糊和光破壞的兩個(gè)基本問題。
這項(xiàng)工作發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》的文章中，“在顯微鏡上對活細(xì)胞進(jìn)行超快速冷凍捕獲可以對非平衡分子模式進(jìn)行多尺度成像。”
通過極快地冷卻至分子運(yùn)動幾乎停止的溫度(-196°C)來完成阻止。由于兩個(gè)原因，逮捕必須非?？?。首先，如果逮捕太慢，定義活細(xì)胞的通電微觀模式就會分解成死亡狀態(tài)。其次，逮捕的速度必須快于冰的形成過程，冰的形成會破壞細(xì)胞。
在0°C至-136°C的臨界范圍內(nèi)，結(jié)冰速度極快。然而，與直覺不同的是，在非常低的溫度(低于-136°C)下，冰晶無法形成，因?yàn)樗肿拥倪\(yùn)動幾乎停止了。這意味著冷卻速度必須快于每秒100,000°C。
研究人員通過開發(fā)一種與顯微鏡集成的超快速冷卻裝置，克服了這一技術(shù)挑戰(zhàn)，其中液氮(-196°C)的冷量在高壓下加速到鉆石上。同一顆鉆石的另一側(cè)還固定著含有細(xì)胞的樣品。高壓爆裂與金剛石卓越的導(dǎo)熱性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了必要的高冷卻速率，使細(xì)胞在-196°C的溫度下保持其原始配置。這不僅解決了運(yùn)動模糊的問題，還阻止了光化學(xué)破壞。這開啟了幾乎無限曝光的可能性，突出了在噪音中被掩蓋的分子圖案。
超快速冷凍捕獲允許使用通常具有破壞性的高激光功率以數(shù)十納米的分辨率分析原本不可見的天然分子模式。由于在-196°C下不存在光破壞，因此可以通過不同的顯微鏡模式觀察相同的捕獲細(xì)胞，以測量從分子到細(xì)胞尺度的模式。這項(xiàng)新技術(shù)發(fā)現(xiàn)了癌蛋白和腫瘤抑制蛋白的納米級共組織，可以保護(hù)細(xì)胞免于表現(xiàn)出惡性行為。
“這是熒光顯微鏡的一個(gè)有利步驟，特別是超分辨率顯微鏡和顯微光譜學(xué)的結(jié)合，可以在多個(gè)尺度上繪制細(xì)胞中的分子反應(yīng)，”系統(tǒng)細(xì)胞生物學(xué)系教授兼主任PhilippeBastiaens博士
說，馬克斯普朗克分子生理學(xué)研究所，位于德國多特蒙德。“它將改變我們觀察細(xì)胞中分子組織和反應(yīng)模式的方式，從而提供對生命物質(zhì)自組織能力的更多見解。”
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