細胞原位鐵蛋白分子的磁性成像分辨率推進到了10納米

　　近日，中國科學院院士、中國科學技術大學教授杜江峰領導的中科院微觀磁共振重點實驗室成功研制細胞原位納米磁共振成像實驗平臺，與中科院院士、中科院生物物理研究所研究員徐濤合作，實現了對細胞原位鐵蛋白分子的磁性成像，將原位蛋白質磁成像分辨率推進到了10納米。該研究成果以Nanoscale magnetic imaging of ferritins in a single cell 為題，發表于《科學-進展》[Science Advances 5, eaau8038 (2019)]。

　　在細胞原位實現納米級分子成像是生物學研究的重要目標之一。在眾多成像技術中，磁共振成像技術能夠快速、無破壞地獲取樣品體內的自旋分布圖像，已經廣泛應用在多個科學領域中。特別是在臨床醫學中，因其對生物體幾乎無損傷，對疾病的機理研究、診斷和治療起著重要的作用。然而，傳統的磁共振成像技術使用磁感應線圈作為傳感器，空間分辨率極限在微米以上，無法進行細胞內分子尺度的成像。

　　為突破磁共振成像的分辨率極限，杜江峰課題組使用鉆石中的氮-空位固態點缺陷單自旋作為磁敏感單元（以下簡稱“鉆石傳感器”），自主研制了細胞原位納米磁共振成像實驗平臺。激光、微波對氮-空位單自旋進行操控形成一個量子傳感器，能夠將細胞內分子的微弱磁信號轉換為光信號從而能夠使用單光子探測器進行讀出。自制的原子力顯微鏡實現細胞樣品的定位和掃描，首先將樣品中的分子靠近鉆石傳感器至10納米以內，進而通過空間上的納米級位置移動實現對細胞內分子的成像。

　　該工作使用鐵代謝和鐵蛋白功能研究中的模式細胞——人的肝癌細胞株（HepG2）進行納米磁成像實驗研究。磁性信號來源于鐵蛋白分子內的鐵離子，在室溫下具有順磁性。首先研究人員使用高壓冷凍-冷凍替代方法將活細胞瞬間固定并包埋，然后用切片的方法將細胞剖開，并用基于鉆石刀的超薄切片技術將表面修整成納米級平整度。這時，存在于細胞內部的蛋白質暴露在細胞剖面上，可以與鉆石傳感器近距離接觸。通過對樣品進行掃描，研究人員觀測到了細胞內部存在于細胞器中的鐵蛋白，分辨率達到了10納米。為了拓展成像功能，實驗小組還發展了電鏡-磁關聯成像技術，同時使用兩種不同的技術手段實現了對同一鐵蛋白團簇的觀測。

　　該工作將細胞內蛋白質分子磁成像的空間分辨率提高了近2個數量級，為未來實現細胞原位蛋白質磁共振成像打下了良好的技術基礎，也為開展細胞原位分子尺度的磁共振譜學研究提供了可能。

　　此外，中科院微觀磁共振重點實驗室將量子模擬與傳統磁共振探測方法結合，于近期使用量子比特探針成功解決了水分子的能量本征態問題，成果發表于2019年3月的《物理評論快報》[Physical Review Letters 122, 090504 (2019)]。該方法為量子模擬方法在化學、生物等相關領域的應用提供了新的技術手段。