MIT方法以前所未有的精度提供廉价的成像–在病毒颗粒的范围内

麻省理工学院的工程师设计了一种新颖的技术，可以对9纳米以下的生物样品进行成像。他们开发了一种新型的水凝胶，可以保持更均匀的构型，如图所示，从而可以在对微小结构进行成像时获得更高的精度。

研究人员说，麻省理工学院的工程师们使用普通的光学显微镜，设计了一种能够对生物样品进行成像的技术，其准确度可以达到10纳米，这将使他们能够对病毒甚至可能对单个生物分子进行成像。

这项新技术建立在扩展显微镜的基础上，该方法涉及将生物样品嵌入水凝胶中，然后在通过显微镜对其成像之前对其进行扩展。对于该技术的最新版本，研究人员开发了一种新型水凝胶，该水凝胶可保持更均匀的构型，从而在对微小结构进行成像时具有更高的准确性。

爱德华·博登（Edward Boyden）是神经技术的Y. Eva Tan教授，麻省理工学院的生物工程，脑与认知科学教授，也是麻省理工学院的成员麦戈文脑科学研究所和科赫综合癌症研究所。

“如果您能看到单个分子并以一位数纳米的精度识别它们是什么种类，那么您也许可以真正地研究生命的结构。正如一个世纪以来的现代生物学所告诉我们的那样，结构决定着功能。”这项新研究的资深作者博伊登说。

该论文的主要作者是麻省理工学院的研究科学家高瑞轩和余智杰博士20位，今天发表在自然纳米技术上。其他作者包括Linyi Gao博士‘20；前麻省理工学院博士后Kiryl Piatkevich；麻省总医院基因技术核心总监Rachael Neve；麻省大学医学院微生物学和生理学系副教授詹姆斯·芒罗（James Munro）； Srigokul Upadhyayula是哈佛医学院的儿科学助理教授，也是加州大学伯克利分校细胞与发育生物学专业的助理教授。

低成本，高分辨率

自Boyden的实验室于2015年首次引入扩展显微镜以来，全世界许多实验室已开始使用扩展显微镜。利用这种技术，研究人员可以在对样品进行成像之前将样品的线性尺寸实际放大四倍，从而无需昂贵的设备即可生成高分辨率图像。Boyden的实验室还开发了标记样品中蛋白质，RNA和其他分子的方法，以便可以在扩增后对其成像。

“数百个小组正在做扩展显微镜检查。显然，对一种简单，廉价的纳米成像方法的需求已被抑制。”博登说。“现在的问题是，我们能得到什么？我们可以降低到单分子精度吗？因为最终，您希望获得一种能够解决生活的基本要素的解决方案。”

其他技术（例如电子显微镜和超分辨率成像）可提供高分辨率，但所需设备昂贵且无法广泛使用。但是，扩展显微镜可以使用普通的光学显微镜进行高分辨率成像。

博伊登（Boyden）的实验室在2017年的一篇论文中展示了约20纳米的分辨率，该过程采用了在成像前将样品扩展两次的过程。这种方法以及早期版本的扩展显微镜，都依赖于由聚丙烯酸钠制成的吸收性聚合物，该聚合物是使用一种称为自由基合成的方法组装而成的。当暴露于水时，这些凝胶会溶胀。然而，这些凝胶的一个局限性在于它们在结构或密度上不是完全均匀的。这种不规则会导致样品形状在扩展时产生较小的变形，从而限制了可达到的精度。

为了克服这个问题，研究人员开发了一种新的称为四凝胶的凝胶，该凝胶形成了更可预测的结构。通过将四面体PEG分子与聚丙烯酸钠四面体结合起来，研究人员能够创建类似于以前使用的自由基合成聚丙烯酸钠钠水凝胶更加均匀的晶格状结构。

研究人员通过使用该方法扩展具有独特球形的1型单纯疱疹病毒（HSV-1）的颗粒，证明了该方法的准确性。在使病毒颗粒膨胀之后，研究人员将形状与通过电子显微镜获得的形状进行了比较，发现变形比以前版本的膨胀显微镜要低，从而使它们可以达到约10纳米的精度。

“我们可以研究这些蛋白质在扩增时的排列方式如何变化，并评估它们与球形的接近程度。这就是我们进行验证的方式，并确定了我们如何忠实地保留形状的纳米结构以及这些分子的相对空间排列。”高瑞轩说。

单分子

研究人员还利用他们的新型水凝胶来扩增细胞，包括人肾细胞和小鼠脑细胞。他们现在正在研究将准确性提高到可以对此类细胞内的单个分子成像的程度的方法。这种精确度的一个限制是用于标记细胞中分子的抗体的大小，大约10至20纳米长。为了使单个分子成像，研究人员可能需要创建较小的标签或在扩展完成后添加标签。

他们还在探索其他类型的聚合物或四凝胶聚合物的改性形式是否可以帮助他们实现更高的准确性。

博伊登说，如果他们能够将精确度降低到单个分子，那么将探索许多新领域。例如，科学家可以瞥见不同分子之间如何相互作用，这可以阐明细胞信号传导途径，免疫应答激活，突触通讯，药物-靶标相互作用以及许多其他生物学现象。

他说：“我们很乐意研究细胞的区域，例如两个神经元之间的突触，或涉及细胞信号传导的其他分子，并指出所有部分如何相互交谈。”“他们如何一起工作，以及他们在疾病方面如何出错？”

参考：“由四面体类单体组成的高度均匀的聚合物，用于高各向同性膨胀显微镜”，作者：高瑞轩，Chih-Chieh（Jay），Linyi Gao，Kiryl D.Piatkevich，Rachael L.Neve，James B.和爱德华·博伊登（Edward S.Boyden），2021年3月29日，自然纳米技术。
10.1038 / s41565-021-00875-7

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。