多高校合作在超分辨显微成像方面取得新进展

2020年1月08日 13:40:55 来源: 信息科学部
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  在国家自然科学基金项目(批准号:61475010, 61729501, 61327902)等资助下,北京大学工学院席鹏研究员团队与清华大学自动化系戴琼海院士团队、北京大学麦戈文脑科学研究所张研教授团队、中国科学院动物研究所李向东研究员团队、北京大学生命科学学院陈晓伟研究员团队、以及澳大利亚悉尼科技大学金大勇教授团队合作,提出了一种偏振结构光显微技术(pSIM)。研究成果以“Super-resolution Imaging of Fluorescent Dipoles Viapolarized Structured Illumination Microscopy”(基于偏振结构光照明显微的超分辨荧光偶极子成像)为题,于2019年10月16日在Nature Communications(《自然•通讯》)上在线发表。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-12681-w。该成果于2019年11月28日在Nature Methods(《自然•方法学》)期刊上作为Research Highlight(研究亮点)报道。相关链接:https://www.nature.com/articles/s41592-019-0682-6。

  作为光波的基本物理属性之一,偏振特性在光场调控、显微成像、量子光学、立体显示等领域得到了广泛的应用。目前,在生物显微成像领域,通过偏振成像可以测量荧光团的偶极子方向,揭示靶蛋白的取向。然而,该技术难以在超分辨水平上解析亚细胞结构上的偶极子组装及其在活细胞中的动力学行为。

  针对上述问题,研究团队借鉴结构光成像(SIM)具有分辨率高、成像速度快、能够高度兼容活细胞成像等优点,通过构建空间-方位角的高维复合空间,提取荧光偶极子的方位角与空间超分辨信息,实现了具有高时空分辨率和独特偶极子方向信息的偏振结构光成像(pSIM)。他们采用该技术进行了大量的生物学实验,包括λ-DNA、BAPE细胞和小鼠肾组织中的肌动蛋白丝、肌动蛋白和肌球蛋白之间的相互作用,以及绿色荧光蛋白染色的U2OS活细胞微管等,验证了该技术的广泛适用性。尤其是针对神经元中的膜相关周期骨架(MPS),pSIM技术以高的空间分辨率和准确的偏振检测,揭示了肌动蛋白环在MPS中“并排”组装的新结构,推翻了肌动蛋白环“端到端”的结构假设(图)。该研究工作对推进生物领域偏振超分辨成像研究具有重要意义。

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图. 神经元细胞肌动蛋白丝2D-pSIM超分辨成像(虚线框中可见树突中连续的长肌动蛋白丝和轴突中离散的肌动蛋白环结构排列方向垂直),比例尺:1μm