以超分辨率查看生命中最小的构建块

生活中最小的积木是什么样子的?分子如何跳舞、飞镖、飘过细胞、折叠和融合并形成生物的机器?对于 2021 年黑星-西蒙斯教职研究员徐柯来说，这些问题是他所做的一切的最前沿。徐想在纳米尺度上可视化活细胞;他想看到在他使之成为可能之前看不见的东西。

许多过程是人类健康和疾病的基础，其规模小得不可思议：例如，一串DNA不到一根头发宽度的万分之一。在阿尔茨海默病患者脑细胞中积累的淀粉样蛋白以及识别癌症和病毒的免疫受体仅大几倍。

从历史上看，显微镜已经产生了图像或视频，告诉您正在查看的内容的大小，形状和布局。加州大学伯克利分校(UC Berkeley)化学副教授徐(Xu)认为，它可以做得更多。

“我们希望使用成像不仅要了解分子的位置，还要从根本上了解分子如何相互作用以及它们的其他物理性质是什么，”徐说。

Xu处于发明新工具的最前沿，以在单分子和纳米尺度上询问生物和化学系统的特性，如酸度，电荷以及分子移动的速度。这种以前无法通过成像获得的信息不仅可以为生命的基本生物学提供新的见解，还可以为研究人员提供如何设计药物来操纵分子的新线索。

从材料科学到生物学

徐并不总是研究活细胞 - 他在加州理工学院获得了物理化学博士学位，在那里他研究了纳米材料的热电和超导特性。在那里，他了解了尖端的显微镜方法，让科学家能够可视化这些新材料最微小的细节。

虽然技术上很有趣，但徐正在探索的东西是死的，一动不动。Xu想知道新的显微镜方法是否可以捕获动态的移动过程。

“这些物理和化学工具对我们材料科学家来说非常强大，”徐说。“但它们在生物学上的应用非常有限，我看到了一个机会。

为了更多地了解生物学家已经在做什么，以及他可以在哪些方面有所作为，徐成为哈佛大学庄晓伟实验室的博士后研究员，庄晓伟是一种超分辨率显微镜技术的发明者，称为随机光学重建显微镜(STORM)。

在STORM之前，如果生物样品中的两个分子彼此接近半个光波长，则不可能将它们区分开来。然而，对于STORM，附近分子上的单个荧光标记物会打开和关闭;由于不同的标记在不同的时间发光，因此它们的位置变得可分辨。

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当徐在2013年创立他的伯克利实验室时，他想超越STORM。他想象捕捉分子的运动、化学和电学特性，并揭示它们如何相互作用——所有这些事情通常需要的不仅仅是显微镜来测量。

他们解决的分子的第一个特性是化学极性 - 电子以不均匀的方式分布在分子之间。分子的极性会影响它们的相互作用和行为，包括它们更喜欢溶解在水还是油中。

虽然化学极性可以批量测量，但同时“看到”和绘制活细胞内许多分子的极性对徐的团队来说是一个巨大的壮举。2017年，他们展示了基于光谱成像的方法如何检测细胞膜之间的极性差异，并且这些差异取决于膜中的胆固醇水平。

“这种技术对我来说真的很令人兴奋，因为现在我们不仅知道细胞的形状，还知道细胞中不同参数的功能分布，”徐说。

在另一个项目中，徐和他的同事们希望改进方法，以观察分子在细胞内部扩散或自由漂浮时的运动。这些分子运动太小太快，无法用普通显微镜方法看到。

“如果你使用普通的典型相机并试图记录分子的运动，这是没有希望的，因为它们移动得太快了，”徐说。“你甚至看不到一个分子。

2020年，徐的团队开发了一种闪烁的激光，其作用类似于频闪灯。激光闪烁的速度比显微镜的相机快门快，提供了更简短且不那么模糊的分子位置快照。通过以这种方式反复捕获图像，研究人员可以组装一种分子运动的定格视频。

Xu使用这种方法可以显示分子在500微秒时间段内的运动，以揭示分子如何在细胞的不同部位以不同的速度移动。

下一步：充电

在整个活细胞中，不同的分子具有不同的电荷;有些略带消极，有些略带积极。这些差异可以驱动分子如何移动、相互作用和相互结合。Xu的小组现在正在开发用显微镜“看到”不同分子电荷的方法。他说，该方法将使用显微镜来测量不同分子如何响应电场而移动。

这种研究似乎是基本的——徐承认其中大部分是由对生物学和技术的迷恋驱动的——但它在研究健康和疾病方面也有很多应用。例如，跟踪分子的运动可以揭示分子如何以及何时聚集;如果这些分子在疾病中发挥作用，那么这种聚集对于理解至关重要。同样类型的研究也可以描绘出药物如何在细胞中移动并采取行动的画面。

“运动是细胞中许多物理过程的基础。我们的工具使我们能够可视化分子之间的相互作用以及分子的各种化学和物理参数，“徐说。“当你把所有这些东西结合起来时，它真的可以捕捉到细胞的状态。

Xu将他的材料科学背景归功于他在如何开发这些尖端新方法方面的独特观点。他说，他以与大多数生物学家不同的方式看待数据和光学。

“我经常从物理科学的角度来处理这些单分子数据，”他说。“即使这些是在活细胞内，它们也是根据物理规则行事的单个分子。

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