《自然生物技术》纳米条形码可视化细胞交流

我们大脑中的神经细胞是如何相互交流的?当T细胞使癌细胞无害时发生了什么过程?在细胞水平上的机制细节仍然不为人所知。现在，由慕尼黑工业大学(TUM)领导的一个研究小组开发的特殊报告蛋白可能有助于揭示这些机制。

　　

通过电子显微镜，科学家可以看到细胞结构的最深处——分辨率在亚纳米范围内。甚至像线粒体这样的细胞成分或神经细胞之间的连接也能被分辨出来。尽管如此，许多重要的结构和过程仍然不可见。

要想干预有缺陷的过程，或者在人工组织和器官中重建它们，绝对需要了解细胞内部和细胞之间的过程。因此新研究开发了一种所谓的基因报告系统，可以在细胞内为它们进行侦察工作。基因报告器是蛋白质胶囊，大小刚好可以用电子显微镜分辨。

条形码识别

胶囊是由细胞自己产生的。它们的基因蓝图附着在特定的目标基因上。当靶基因变得活跃时，报告蛋白就会产生。这种方法背后的基本原理已经是光学显微镜的标准程序。在那里，研究人员研究荧光蛋白。然而，这种方法不适用于电子显微镜，因为不同的形状不是根据颜色来区分的，而是根据它们的电子密度来区分的。

研究人员利用这一点，将金属结合蛋白放入不同大小的胶囊中。这些“EMcapsulins”在电子显微镜下呈现为不同大小的同心圆，可以像使用人工智能条形码一样快速识别和分配。

让不可见的结构可见

那么，研究人员究竟如何利用这些报告蛋白呢?一方面，他们可以用它们来指示某些基因的活性，但也可以发现在电子显微镜下不可见的结构，例如神经细胞之间的电突触或影响癌细胞和T细胞之间相互作用的受体。

该研究的第一作者Felix Sigmund说:“如果我们还赋予EMcapsulins荧光特性，这将使我们能够使用光学显微镜初步检查活组织的结构。”在这个过程中，可以观察到引人注目的动力学和结构，然后在下一步可以在电子显微镜下进行高度解析。

“这有点像看城市地图，”慕尼黑工业大学神经生物工程教授兼亥姆霍兹慕尼黑合成生物医学研究所所长吉尔·格雷戈尔·韦斯特梅尔解释说。“对周围环境有一个视觉印象，看看道路在哪里就足够了。但它不能告诉我们交通信号灯切换的频率，任何给定点的交通量，以及何时何地正在重建。”

“也可以想象，在未来，当细胞变得活跃时，将报告蛋白用作改变其结构的传感器。通过这种方式，可以更好地阐明细胞功能和细胞结构之间的关系，这也与理解疾病过程以及产生治疗性细胞和组织有关，”Westmeyer补充道。

为此，研究人员还将使用TUM的新电子显微镜设备，并与新的TUM类器官系统中心(COS)合作。

Genetically encoded barcodes for correlative volume electron microscopy