高产青年科学家尹鹏Nature Methods发布突破性新技术

　　

生物通报道  许多的生物和病理过程并不受蛋白质或核酸一类的生物分子存在与否或功能的影响，而是受到它们在细胞内特异位点数量微小变化的严格控制。尽管近期光学成像技术革命使得能够区分出彼此距离不到200nm的靶分子，现代的超分分辨率技术在精确计数一些细胞位点的生物分子数量方面仍面临着挑战。

哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的一种新分析工具解决了这一问题。由Wyss研究所核心成员、哈佛医学院系统生物学教授尹鹏（Peng Yin）博士领导的研究小组，利用以往开发的DNA-PAINT和Exchange-PAINT超分辨率显微镜平台取得进展，现在以高精度和准确度计数了生物样本中不同的分子种类。DNA-PAINT提供了比昂贵的超分辨率显微镜更高的分辨率，Exchange-PAINT可以调查同一生物样品中多个不同的分子。这一研究方法报告在3月28日的《自然方法》（Nature Methods）杂志上。

尹鹏说：“我们现在利用一种高度定量的分子工具箱qPAINT改善了我们的DNA驱动超分辨率显微镜方法，可以精确地计算细胞内特异部位特定分子的实际数量。导入这种定量能力至关重要地扩展了这种综合廉价技术的成像能力，因此其适用于许多的生物学和临床研究领域。”

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这一DNA驱动成像技术的关键是两条短DNA分子链的短暂互作，一条叫做“对接链”连接到显像的靶分子上，另一条叫做“成像链”，携带着一种发光染料。

研究的共同第一作者、尹鹏实验室前博士后研究人员Ralf Jungmann说：“我们可以精确地编程两条互补DNA链彼此短暂互作的时间间隔，使得当一对DNA链经受结合与分离时，染料会以特定的频率闪光。通过频率的增加，无需在空间上分辨每个靶分子，我们可以用qPAINT分析推断出有多少靶分子定位在某一特定的细胞位点。”

在较早的研究中，研究小组整合了DNA驱动的超分辨率显微镜与高度特异、广泛可获得的检测试剂，例如将对接链连接到了在各种细胞结构和复合物中特异结合一些分子的抗体，或是结合细胞内穿梭运送遗传信息的特异信使RNA的DNA探针上。

“有了qPAINT，我们可以计算出细胞表面或细胞核膜等位点，甚至是在刺激肌肉抽搐的神经末梢抗体靶向的蛋白质数量。这一技术可以结合大量的检测试剂，最终计算出在它们执行任务的细胞位点各种目的分子数量，”共同第一作者、尹鹏研究小组博士后研究人员Maier Avendaño说。

Wyss研究所创始主任说：“qPAINT为这种简单的超分辨率显微镜平台增加了一种强大的新工具，现在赋予了研究人员非凡的能力定量特异位点分子数量的改变如何影响细胞信号和功能。最令人惊讶地是，无需高度昂贵的显微镜就可以做到这一点，因此几乎所有的生物学和临床实验室都可以使用它。”

尹鹏早年毕业于北京大学，其主要研究方向是结合工程与生物信息学理论来设计并组装DNA/RNA为构件的纳米结构和装置，以及在分子水平上的操作和应用。近年来在Nature、Science、Cell杂志上发表了大量重要的研究成果。

2012年3月，尹鹏提出了一种利用DNA“积木”设计的纳米设备，能将药物直接送至机体疾病所在之处。相关成果公布在Nature杂志上（《自然》：看华裔学者玩转DNA积木 ）。2012年9月制造了一种新型的条形码，其能够具有几乎无限的系列类型，相比以前有潜能使科学们在某个特定时间集合更多的重要信息。这种方法利用了DNA的天然自组装能力，论文发布在Nature Chemistry杂志上（华裔学者Nature子刊发布生物医学新技术）。

2012年11月，尹鹏等人利用DNA“积木”创造出了100个三维纳米结构，这种积木结构是由尹鹏发明出来的——利用一种称为单链片（single-stranded tiles，SSTs）的方法，令这些单链结构环环相扣，形成DNA“积木”，就像是乐高积木一样，通过编程，研究人员能将这些单链片组装成精确的形状。Science将这一成果作为封面文章推荐给了读者（青年华裔学者Science封面获技术突破 ）。

此外，尹鹏领导哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的研究人员，展示了一种新方法利用自然的构件DNA作为模具生成了限定形状和大小的3 D金属纳米颗粒。他们的结果发布在Science杂志上（华人DNA“建筑师”Science再发新成果  ）。

2014年尹鹏课题组还接连在Cell杂志上发表文章，聚焦了合成生物学基因网络设计。在第一篇Cell文章中，尹鹏等人报道了一种从头设计的原核细胞调控因子：riboregulators。另外一篇Cell文章则提出了一种基于纸张的合成生物学研究平台（青年华人学者连发两篇Cell 解析基因网络 ）。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Quantitative super-resolution imaging with qPAINT

Counting molecules in complexes is challenging, even with super-resolution microscopy. Here, we use the programmable and specific binding of dye-labeled DNA probes to count integer numbers of targets. This method, called quantitative points accumulation in nanoscale topography (qPAINT), works independently of dye photophysics for robust counting with high precision and accuracy over a wide dynamic range. qPAINT was benchmarked on DNA nanostructures and demonstrated for cellular applications by quantifying proteins in situ and the number of single-molecule FISH probes bound to an mRNA target.