2021-12-23

Science Advances | 细胞超快速冷冻停滞观察分子结构

原创 图灵基因 图灵基因 2021-12-23 09:00

收录于话题#前沿分子生物学技术

荧光显微镜对一个结构或分子的分辨能力取决于从该结构中收集到的光量。在荧光显微镜中，可以延长曝光时间以增加检测到的光量。然而，微观结构表现出随机和定向运动。延长曝光时间从而导致结构的模糊。

现在，研究人员已经开发出一种技术，可以直接在荧光显微镜上观察活细胞在几毫秒内任何感兴趣的时间点的动态过程中捕捉分子活动模式。通过这样做，可以同时绕过运动模糊和光破坏这两个基本问题。

这项工作发表在《Science Advances》上的一篇题为“Ultrarapid cryo-arrest of living cells on a microscope enables multiscale imaging of out-of-equilibrium molecular patterns”的文章中。

通过极快地冷却到分子运动几乎停止的温度（-196°C）来实现停止。停滞必须非常迅速，原因有二。首先，如果停滞太慢，定义活细胞的充满活力的微观模式就会分解成死亡状态。其次，停滞的速度必须比结冰的过程更快，因为结冰会破坏细胞。

在0°C到-136°C的临界范围内，冰的形成速度非常快。然而，非直观地说，在非常低的温度（低于-136°C）下，冰晶无法形成，因为水分子的运动实际上停止了。这意味着冷却速度必须超过每秒100000°C。

研究人员通过开发一种与显微镜集成的超快速冷却装置，在高压下将液氮（-196°C）冷却到钻石上，从而克服了这一技术挑战。同一颗钻石的另一面还保存着含有细胞的样本。高压爆裂与金刚石的卓越导热性相结合，使得必要的高冷却速率能够使细胞在-196°C的自然配置下停止。这不仅解决了运动模糊的问题，而且阻止了光化学破坏。这开启了几乎无限曝光的可能性，突出了在噪音中被掩盖的分子模式。

超快速冷冻停滞允许使用通常具有破坏性的高激光功率，以数十纳米的分辨率分析天然分子模式，而这些模式本来是看不见的。由于在-196°C下没有光破坏，因此可以通过不同的显微镜方式观察到相同的停滞细胞，以测量从分子到细胞尺度的模式。这项新技术导致了一种癌蛋白和一种肿瘤抑制蛋白的纳米级协同组织的发现，可以防止细胞表现出恶性行为。

德国多特蒙德Max Plank分子生理学研究所系统细胞生物学系主任、教授Philippe Bastiaens博士说，“这是荧光显微镜的一个有利步骤，特别是超分辨率显微镜和显微分光镜的结合，可以在多个尺度上绘制细胞中的分子反应图。它将改变我们观察细胞中分子组织和反应模式的方式，从而让我们更深入地了解生命物质的自组织能力。”