华人女科学家庄小威最新Nature方法学文章

　　

生物通报道：作为第一位获美国麦克阿瑟基金会“天才奖”，也是最年轻美国科学院华人院士的女科学家，庄小威教授获得了许多重要成果，尤其是在生物物理显微成像领域，近期庄小威教授与另外两位研究人员发表文章，介绍了其研究组超分辨率细胞成像最新进展：超亮光敏荧光基团，这一研究成果公布在《Nature Methods》在线版上。

光学显微镜技术受限于光的波长，而电子显微镜虽然可以达到纳米级的分辨率，但通电的结果容易造成样品的破坏，因此能观测的样本也相当有限。这几年超高分辨率荧光显微镜跨越了一大步，使得研究者可以从纳米级观测细胞突起的伸展，从而宣告200—750纳米大小范围的模糊团块的时代结束了。

这些超高分辨率荧光显微镜技术有些基于图像照明，比如受激发射减损(stimulated emission depletion ,STED)以及相关的RESOLFT显微技术，还有饱和结构光照明显微（Saturated Structured Illumination Microscopy），有些基于单分子开关和定位，比如随机光学重建显微镜（stochastic optical reconstruction microscopy, STORM），以及（荧光）光敏定位显微技术(PALM, photoactivated localization microscopy)，利用这些方法可以达到生物样品成像10-100nm的分辨率，从而令研究人员观察到亚细胞结构的具体细节。

但是由于大部分蛋白分子只有几纳米，如果要直接解析细胞中这些分子的相互作用，还需要更高的分辨率。在这篇文章中，研究人员就介绍了一种实验方法，可以将荧光基团化学转换成对荧光状态光敏感的稳定暗态（dark state），从而再次提高超高分辨率荧光显微镜技术的分辨率。

STORM和(F)PALM方法都能通过顺序开关和单个荧光基团定位构建探针高分辨率图谱，这需要这些探针在暗态中准备好，并带有一部分能随时开启的开关。此前曾利用过多种光控开关和光敏荧光探针，比如一些有机染料，荧光蛋白和量子点，但是部分由于这些荧光基团无法在暗态中准备，因此限制了高分辨率成像的发展。

研究人员提供的这种实验程序方法详细介绍了荧光染料和还原剂（NaBH4）的准备方法，解决了将荧光基团化学转换成对荧光状态光敏感的稳定暗态的问题。这种方法能在原位进行，由于还原染料的吸收光谱具有强烈的蓝色转移，因此染料能有效的转换进暗态。这种方法能用于多种可见光谱荧光基团，因此将能在超高分辨率显微技术中发挥重要的作用。

庄小威教授一直从事生物物理显微成像方面的研究，她在2005年发现了一种能够几百次地反复在各种颜色的光照下使用的，能够驱动为荧光态和暗态的发光分子团，从而得到了一种比传统光学显微镜高10倍以上的分辨率的显微技术，并将这种技术命名为随机光学重建显微法(stochastic optical reconstruction microscopy，STORM)。

之后她又在2007年发现了特殊的荧光探针家族，实现了多色随机光学重建显微法（multicolor stochastic optical reconstruction microscopy），并利用这种方法以20-30纳米级别的分辨率演示了DNA模式样品和哺乳动物细胞的多色成像。2011年，她与著名华人院士谢晓亮利用超分辨率荧光显微镜对活体大肠杆菌细胞内的拟核相关蛋白（nucleoid-associated proteins ，NAPs）进行了跟踪观察，并由此揭示了细菌遗传物质组织机制。

近期这一研究组还找到了光控膜探针，利用超高分辨率荧光成像技术，对细胞膜进行了分析，他们的研究证明了这8个常用的膜探针具有光控能力，能特异性作用于细胞膜，线粒体，内质网或者溶酶体。

（生物通：张迪）

原文摘要：

Ultrabright photoactivatable fluorophores created by reductive caging

Sub–diffraction-limit imaging can be achieved by sequential localization of photoactivatable fluorophores, for which the image resolution depends on the number of photons detected per localization. We report a strategy for fluorophore caging that creates photoactivatable probes with high photon yields. Upon photoactivation, these probes can provide 104−106 photons per localization and allow imaging of fixed samples with resolutions of several nanometers. This strategy can be applied to many fluorophores across the visible spectrum.