MIT提升显微镜成像水平,可以测量单个病毒颗粒的数量

   小金工        

2021年4月1日,马萨诸塞州剑桥市,由麻省理工学院的爱德华·博伊登(Edward Boyden)领导的科学家应用了扩展显微镜的原理(一种由博登实验室于2015年引入的技术),开发了一种廉价的成像方法,该方法使用普通的光学显微镜对比例尺进行成像,可以测量单个病毒颗粒的数量。该方法的关键是新型水凝胶,与常规膨胀显微镜相比,该水凝胶可保持更均匀的构型。在这项技术中,科学家将生物样品嵌入水凝胶中,然后在用显微镜对其成像之前对其进行扩展。


研究人员说,除了单个病毒颗粒以外,这种进展还可以使它们最终对单个生物分子成像。麻省理工学院麦戈文脑科学研究所成员,生物工程学,脑与认知科学教授,神经工程学教授伊登·博伊登(Y. Eva Tan)指出,以这种精确度进行成像可以研究使生命成为可能的基本分子相互作用。他是科赫综合癌症研究所的成员。


这项研究的高级作者博伊登说:“如果您能看到单个分子并以一位纳米的精度识别它们的种类,那么您也许可以真正观察生命的结构。正如一个世纪以来的现代生物学告诉我们的那样,结构支配着功能。”


MIT提升显微镜成像水平,可以测量单个病毒颗粒的数量

麻省理工学院的工程师们开发了一种新型的水凝胶,该水凝胶可保持更均匀的配置,如上图所示,从而为分辨率低至约10 nm的生物样品的成像提供了更高的精度。由Ella Maru Studio提供。


自从其发展以来,研究人员已经有效地使用了扩展显微镜,在对样品进行成像之前,将样品的线性尺寸放大了大约四倍。这样做的能力使他们可以使用标准设备生成高分辨率图像。


博伊登说,与博伊登实验室的后续开发相结合(对样品中存在的蛋白质,RNA和其他分子进行分子标记的方法,以便在扩增后可以对其成像),这表明全球对廉价纳米成像的需求很高。


在电子显微镜和超分辨率成像都能提供高分辨率的地方,采用这些方法所需的设备非常昂贵。


为了进一步提高扩展显微镜的准确性,这项新工作克服了博登(Boyden)及其团队在2017年的一篇论文中描述的不规则性造成的瓶颈。在这项工作中,实验室团队成员使用扩展显微镜和在样品成像前将样品扩展两次的过程,获得了约20 nm的分辨率。该方法依靠以自由基合成法组装的吸收性聚丙烯酸钠聚合物。


尽管该过程组装的凝胶在暴露于水后会膨胀,但它们的结构(以及由此产生的密度)并不是完全均匀的。该质量导致扩展样本的形状发生轻微变形,从而限制了后续成像的准确性。


MIT提升显微镜成像水平,可以测量单个病毒颗粒的数量


新开发的凝胶四凝胶通过形成更可预测的结构帮助团队克服了这一限制。通过将四面体PEG分子与聚丙烯酸钠四面体结合,该团队创造了一种比以前使用过的自由基合成钠多丙烯酸酯更均匀的晶格状结构。


扩大了1型单纯疱疹病毒(HSV-1)颗粒的演示显示了改进方法的准确性。HSV-1颗粒具有明显的球形形状。在使颗粒膨胀并将形状与通过电子显微镜获得的形状进行比较之后,博伊登的研究小组发现变形比以前版本的膨胀显微镜更低。


四凝胶的实施最终提供了约10 nm的精度。


这项工作还涉及尝试使用新的水凝胶物理扩增细胞,例如人肾和小鼠脑细胞。下一步将寻求提高准确性,以使用户能够对此类细胞内的单个分子进行成像。这样做首先需要创建较小的标签,或者在执行扩展过程后再添加标签;用于标记细胞分子的抗体的大小约为10至20 nm。


团队成员还正在研究其他类型的聚合物或四凝胶聚合物的改性形式是否可以提高准确性。


根据博伊登(Boyden)的说法,单分子水平的精确度足以证明不同分子之间如何相互作用。这将产生有关细胞信号通路,免疫应答激活,突触通讯,药物-靶标相互作用以及其他生物学现象的新信息。


该研究由杨丽莎,约翰·杜尔,开放慈善组织,美国国立卫生研究院,霍华德·休斯医学研究所西蒙斯学院学者计划,情报高级研究项目活动,美国陆军研究实验室,美国-以色列国家科学基金会资助,美国国家科学基金会,麦戈文研究金之友以及哈佛医学院图像和数据分析核心的研究员计划。


这项研究发表在自然纳米技术。



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