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中科院生物物理所开发新型冷冻光电关联成像技术

2023.5.07

原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/5/500101.shtm

4月29日，中国科学院生物物理所蛋白质科学研究平台生物成像中心在学术期刊《通讯-生物学》(Communications Biology)上发表论文，介绍了该团队开发的新型冷冻光电关联成像技术。

在研究生物大分子复合物的原位高分辨率结构及其相互作用关系时，关键技术之一是面向原位结构解析的冷冻电子断层成像（cryo-ET）。但受限于电子束穿透能力，需要先利用聚焦离子束（cryo-FIB）将细胞和组织样品减薄成200纳米左右的薄片后才能进行cryo-ET数据采集。在此过程中，冷冻光电关联成像技术可提供荧光定位指导，但光学分辨能力以及光镜、电镜图像的对齐精度均会制约冷冻光电关联实验成功率。

最近发表的这项工作则在前期自主研发的冷冻光电关联成像高真空光学冷台HOPE(Journal of Structural Biology，2017)基础上，通过引入结构光照明成像技术，成功研制了冷冻结构光照明成像系统HOPE-SIM，实现了横向优于200纳米的光学分辨率，以及优于150纳米的光镜-聚焦离子束三维关联对齐精度。

研究团队选择了结构光照明成像技术作为提高冷冻荧光成像分辨率的手段，基于倒置荧光显微镜自主研制了大腔室高真空冷台，腔室内置0.9NA长工作距离光学物镜和防污染器系统（ACS和cryo-box）、外接真空传输系统（TPS）以及冷冻电镜样品杆（cryo-holder）适配器。同时，借助三维结构光照明（SIM）光路，实现了真空环境下对冷冻样品的三维结构光照明成像，在提高冷冻光镜分辨率的同时，也有效提高了光电关联成像样品传输过程中对冷冻样品的保护。

借助HOPE-SIM高分辨率冷冻光电关联成像系统以及自主编写的三维关联对齐软件3D-View，技术团队成功制备了包含宿主细胞内鼠疱疹病毒和海拉细胞内荧光标记的中心体的细胞切片样品，通过冷冻电子断层原位结构分析图像处理流程和软件分析其在细胞原位的超微结构。

研究发现，基于HOPE-SIM技术的高精度冷冻光电关联成像方法可以实现优于150nm的三维对齐精度，对尺寸较大、胞内丰度高的目标物的原位捕获提供了一种高效、精确的靶向冷冻聚焦离子束减薄技术方案。同时，该技术还可以通过冷冻样品杆直接衔接生物成像中心技术团队自主研发的三束共焦光电关联成像系统ELI-TriScope（Nature Methods,2023），在实现高分辨三维冷冻荧光成像的同时，完成后续原位荧光实时监控聚焦离子束减薄全技术流程，有效提高了冷冻聚焦离子束减薄的效率、准确性、成功率和样品制备通量，为原位结构解析研究提供了一种非常成功的解决方案，在未来的原位结构生物学中有巨大应用潜力。

该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、中国科学院任务/知识创新工程重要方向项目的资助。

冷冻结构光照明成像系统HOPE-SIM

a. HOPE-SIM硬件组成，b. HOPE-SIM设计原理图，c. HOPE-SIM光路原理图

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s42003-023-04850-x

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中科院生物物理所开发新型冷冻光电关联成像技术

周锦帆