创新显微镜技术：在3D中捕捉蛋白质方向

俗话说，三个臭皮匠胜过一个诸葛亮。有时候，两种乐器巧妙地组合在一起，可以完成单独使用任何一种乐器都无法完成的壮举。

　　

俗话说“三个臭皮匠，顶个诸葛亮”，而在科学仪器领域，两种技术的巧妙结合也能创造出单一技术无法实现的奇迹。美国海洋生物实验室（MBL）开发的一种新型混合显微镜就是一个绝佳的例子。它首次实现了对细胞内分子集合（如标记蛋白质）的全三维方向和位置的同时成像。相关研究本周发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上。

这种显微镜结合了偏振荧光技术（用于测量分子方向的有力工具）和双视角光片显微镜（diSPIM），后者在沿样本深度（轴向）成像方面表现出色。这种新型显微镜具有强大的应用潜力。例如，蛋白质会根据环境变化其三维方向，从而与其他分子相互作用以完成其功能。

“利用这种仪器，我们可以记录蛋白质的三维方向变化。”文章的第一作者、旧金山CZ Biohub的Talon Chandler（前芝加哥大学研究生）表示，“仅从分子位置的变化中，你可能会忽略一些真正的生物学现象。”成像分裂细胞中的纺锤体——这是MBL及其他地方长期以来的挑战——是另一个例子。

传统显微镜（包括偏振光显微镜）可以在垂直于观察方向的平面上很好地研究纺锤体。但一旦平面倾斜，读出结果就会变得模糊。“这种新仪器可以‘校正’倾斜，并仍然捕捉到纺锤体分子（微管）的三维方向和位置。”文章的共同作者、MBL的高级科学家Rudolf Oldenbourg说。

该团队希望进一步提高系统的速度，以便观察活体样本中结构的位置和方向随时间的变化。他们还希望未来荧光探针的发展能够使研究人员利用该系统成像更多种类的生物结构。

这种显微镜的概念于2016年在MBL的一次头脑风暴中形成。当时，HHMI Janelia的Hari Shroff（时任美国国立卫生研究院NIH研究员和MBL Whitman Fellow）正在与Abhishek Kumar（现任职于MBL）合作，在MBL开发定制的diSPIM显微镜。diSPIM显微镜的两个成像路径在样本上呈直角相交，使研究人员能够从两个方向照亮并成像样本。这种双视角可以弥补单视角在深度分辨率上的不足，并比其他显微镜更精确地控制偏振光的照射方向。

在一次交流中，Shroff和Oldenbourg意识到，双视角显微镜可以解决偏振光显微镜的一个局限性——难以沿光传播方向高效地照亮样本。Shroff说：“如果我们有两个正交视角，我们可以沿着这个方向更好地感知偏振荧光。”“我们想，为什么不利用diSPIM进行一些偏振荧光测量呢？

当时，Shroff正在与芝加哥大学的Patrick La Rivière教授合作，后者的实验室致力于开发计算成像系统的算法。而La Rivière实验室的新研究生Talon Chandler也被带到MBL。将这两种系统结合起来的挑战成为了Chandler的博士论文课题，他在接下来的一年里在MBL的Oldenbourg实验室从事这项研究。

团队成员还包括当时在MBL的Shalin Mehta。他们为diSPIM配备了液晶装置，使其能够改变输入偏振光的方向。Chandler说：“然后我花了很长时间思考，这种重建会是什么样子？我们能从这些新数据中恢复到什么程度？”当时在NIH的Shroff实验室工作的共同作者Min Guo也在这项工作中投入了大量精力，直到他们实现了分子方向和位置的全三维重建目标。

“在MBL、芝加哥大学和NIH之间有大量交流，我们共同推进了这项研究。”Chandler说。