单分子显微影像技术再升级 窥见生命的深层奥妙

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谍报片中,情报员透过极细微且不易察觉的暗号来沟通,促成秘密行动的进行,而 DNA 内也正上演同样的戏码,任何分子与分子之间的微小变化,都会影响基因的表现。过去,科学界不断努力向“微观”世界探索,研发更新、测量尺度更精细的仪器。而今年六月,史丹佛大学的研究团队在分子显微影像技术上有了新的突破,让 DNA 内的小分子结构与动态都能在奈米级的尺度里“一览无遗”。

单一分子显微技术诞生

十七世纪光学显微镜问世,带领科学界进入微生物的殿堂,但由于阿贝绕射极限 (Abbe diffraction limit),使光学显微镜的分辨率仅能达到光波长的一半,约 0.2 微米 (µm),即 200 奈米 (nm)。而且也只能针对整体细胞做观察,难以缩小到个别分子。到了二十世纪电子显微镜的发明,让分辨率可达到 0.2 奈米,但却必须在真空的状态下进行。后来,威廉・莫纳 (William E. Moerner)、艾瑞克・贝齐格 (Eric Betzig)、史蒂芬・海尔 (Stefan W. Hell) 三人共同发明超分辨率萤光显微技术 (super-resolved fluorescence microscopy),运用单一萤光分子的特性克服光学显微镜的物理限制,也摆脱电子显微镜无法观察活体样本的缺点,获得 2014 年诺贝尔化学奖。

虽然单分子显微影像技术能透过染色的萤光分子来观察 DNA 链,但直到现在,还是很难知道这些分子的移动模式以及染剂附着在 DNA 上的牢固程度,而这些都会影响观测 DNA 分子结构的品质。因此,史丹佛大学的研究人员从单分子显微影像技术 (single-molecule microscopy) 作延伸,使科学家得以观察到奈米等级的 DNA 分子结构。

上图为 DNA 链的超分辨率影像,从 DNA 片段中测量出分子结构的方向与位移。来源:https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-3-6-659&id=344851

上图为 DNA 链的超分辨率影像,从 DNA 片段中测量出分子结构的方向与位移。来源:https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-3-6-659&id=344851

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那些藏在细胞分子间的暗号

由威廉・莫纳 (William E. Moerner) 带领的史丹佛大学研究团队,将单分子显微影像技术作改善,结合超高分辨率显微影像技术 (super-resolution microscopy) 和单分子顺向性 (single-molecule orientation) 的即时侦测,深度观察 DNA 分子间的细微互动,研究成果发表于今年六月的《光学》(Opitca) 杂志。由于 DNA 碱基可控制小分子的移动,所以从小分子的位移资讯就可推测 DNA 碱基的局部构造。莫纳博士表示这项新技术可以帮助我们观察到这些小分子是要向左旋转,还是向右旋转,“如果没有这些旋转、位移的讯息,我们看到的成像就会只是一个点。”莫纳博士表示。

研究团队在单分子显微影像技术里,让萤光染剂附着于 DNA 的分子上,以观察这些小分子的方位和移动模式 。其中一位研究人员 Adam S. Backer 博士找到取得这些小分子的移动方向与旋转动力的简易方法,让研究人员得以观察这些萤光小分子是如何排列组合成 DNA 结构,并透过测量这些萤光分子的移动与旋转程度,来深入了解它们“卡位”的过程。

这项新技术比起过去“取整体分子方位的平均值”的方法,更能提供精确的讯息,也比一次只能分析单一分子的共轭焦显微镜 (confocal microscopy) 来得有效率,甚至连亮度较低的分子也能掌握其中。对于观测 DNA 整体的构型变化,或针对特定区域(即染色分子)的方位变化,甚至是现今当红的体学 (oimcs) 研究,有了这项新技术的辅助,将能更深入探索 DNA 与蛋白质的小分子之间的微小变化,并有望解开疾病的致病机制。

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参考文献:
1. Adam S. Backer, Maurice Y. Lee, and W. E. Moerner . Enhanced DNA imaging using super-resolution microscopy and simultaneous single-molecule orientation measurements (2016) Optica , doi: 10.1364/OPTICA.3.000659
2. 萤光显微镜在生物学上的应用:http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=912
4. 光学显微镜如何变成奈米显微镜:
http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=58567
5. https://www.genomeweb.com/genetic-research/new-dna-imaging-technique-boasts-nanoscale-resolution
6. http://www.genengnews.com/gen-news-highlights/new-imaging-technique-can-espy-dna-s-secret-handshakes/81252852/