華人女科學家莊小威最新Nature方法學文章

　　作為第一位獲美國麥克阿瑟基金會“天才獎”，也是最年輕美國科學院華人院士的女科學家，莊小威教授獲得了許多重要成果，尤其是在生物物理顯微成像領域，近期莊小威教授與另外兩位研究人員發表文章，介紹了其研究組超分辨率細胞成像最新進展：超亮光敏熒光基團，這一研究成果公布在《Nature Methods》在線版上。

　　光學顯微鏡技術受限于光的波長，而電子顯微鏡雖然可以達到納米級的分辨率，但通電的結果容易造成樣品的破壞，因此能觀測的樣本也相當有限。這幾年超高分辨率熒光顯微鏡跨越了一大步，使得研究者可以從納米級觀測細胞突起的伸展，從而宣告200―750納米大小范圍的模糊團塊的時代結束了。

　　這些超高分辨率熒光顯微鏡技術有些基于圖像照明，比如受激發射減損(stimulated emission depletion ,STED)以及相關的RESOLFT顯微技術，還有飽和結構光照明顯微(Saturated Structured Illumination Microscopy)，有些基于單分子開關和定位，比如隨機光學重建顯微鏡(stochastic optical reconstruction microscopy, STORM)，以及(熒光)光敏定位顯微技術(PALM, photoactivated localization microscopy)，利用這些方法可以達到生物樣品成像10-100nm的分辨率，從而令研究人員觀察到亞細胞結構的具體細節。

　　但是由于大部分蛋白分子只有幾納米，如果要直接解析細胞中這些分子的相互作用，還需要更高的分辨率。在這篇文章中，研究人員就介紹了一種實驗方法，可以將熒光基團化學轉換成對熒光狀態光敏感的穩定暗態(dark state)，從而再次提高超高分辨率熒光顯微鏡技術的分辨率。

　　STORM和(F)PALM方法都能通過順序開關和單個熒光基團定位構建探針高分辨率圖譜，這需要這些探針在暗態中準備好，并帶有一部分能隨時開啟的開關。此前曾利用過多種光控開關和光敏熒光探針，比如一些有機染料，熒光蛋白和量子點，但是部分由于這些熒光基團無法在暗態中準備，因此限制了高分辨率成像的發展。

　　研究人員提供的這種實驗程序方法詳細介紹了熒光染料和還原劑(NaBH4)的準備方法，解決了將熒光基團化學轉換成對熒光狀態光敏感的穩定暗態的問題。這種方法能在原位進行，由于還原染料的吸收光譜具有強烈的藍色轉移，因此染料能有效的轉換進暗態。這種方法能用于多種可見光譜熒光基團，因此將能在超高分辨率顯微技術中發揮重要的作用。

　　莊小威教授一直從事生物物理顯微成像方面的研究，她在2005年發現了一種能夠幾百次地反復在各種顏色的光照下使用的，能夠驅動為熒光態和暗態的發光分子團，從而得到了一種比傳統光學顯微鏡高10倍以上的分辨率的顯微技術，并將這種技術命名為隨機光學重建顯微法(stochastic optical reconstruction microscopy，STORM)。

　　之后她又在2007年發現了特殊的熒光探針家族，實現了多色隨機光學重建顯微法(multicolor stochastic optical reconstruction microscopy)，并利用這種方法以20-30納米級別的分辨率演示了DNA模式樣品和哺乳動物細胞的多色成像。2011年，她與著名華人院士謝曉亮利用超分辨率熒光顯微鏡對活體大腸桿菌細胞內的擬核相關蛋白(nucleoid-associated proteins ，NAPs)進行了跟蹤觀察，并由此揭示了細菌遺傳物質組織機制。

　　近期這一研究組還找到了光控膜探針，利用超高分辨率熒光成像技術，對細胞膜進行了分析，他們的研究證明了這8個常用的膜探針具有光控能力，能特異性作用于細胞膜，線粒體，內質網或者溶酶體。