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        陳興課題組開發基于點擊化學的膨脹顯微成像技術

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        2020127日,北京大學化學與分子工程學院北大-清華生命科學聯合中心陳興課題組《自然-方法》Nature Methods雜志在線發表了題為“Click-ExM enables expansion microscopy for all biomolecules”的研究論文,報道了基于點擊化學的膨脹顯微成像技術Click-ExM,提供了一種通用、便捷的策略對各種生物分子進行超分辨熒光成像

         

        工欲善其事,必先利其器。探尋生命奧秘,首先需要得足夠清楚。然而由于光學衍射極限的限制,常規的熒光顯微鏡難以對精細的亞細胞結構進行分辨。超分辨熒光成像技術,使人們能夠看清在200 nm以內的生物分子。不過這些技術通常依賴于昂貴的儀器和精密的算法,而且在組織樣品中的成像性能一般。

         

        膨脹顯微成像技術Expansion microscopyExM則從樣品制備入手,繞過了光學衍射極限,實現了讓超分辨熒光成像“飛入尋常百姓家”。整個流程中首先丙烯酸鹽充滿整個生物樣品內部,并使其聚合形成凝膠凝膠吸水膨脹后,原本臨近生物分子被拉遠但相對位置保持不變。因此利用常規的熒光顯微鏡對膨脹后的樣品進行成像,同樣可實現超分辨的成像效果。然而目前ExM技術缺乏一種普適性的在凝膠中錨定生物分子的策略,因此應用范圍局限于蛋白質核酸無法對脂質、聚糖以及小分子等生物分子進行成像。

         

        Click-ExM的工作流程(以炔基標記的生物分子為例)

         

        Click-ExM的設計理念是利用帶有生物正交官能團(如疊氮、炔基等)化學探針對細胞進行代謝標記,通過點擊化學連接上生物素,再基于生物素與鏈霉親和素相互作用,最終將被標記的生物分子轉變為偶連熒光分子的鏈霉親和素。偶連熒光分子的鏈霉親和素在其中起到了三方面作用:識別生物分子、報告熒光信號、錨定到凝膠中。

         

        作者采用了多種含有生物正交官能團化學針,對脂質、糖、蛋白質、核酸、分子等多種生物分子進行Click-ExM成像,并將該技術應用于原代細胞組織切片等生物體系中其中首次實現了對多種脂質、糖以及小分子的ExM成像。同時,由于Click-ExM技術傳統ExM流程兼容,因此可與多種現有的標記方法相結合,實現多色熒光成像。此外,由于樣品膨脹會稀釋熒光分子濃度,利用鏈霉親和素的多價相互作用,開發出信號放大策略,有助于成像低豐度的生物分子。值得一提的是,Click-ExM技術中步均為模塊化設計,且大部分化學試劑可商業化購買,不需要繁瑣的化學合成和步驟優化因此有希望被廣泛應用于后續的生物學研究

         

        總之,該工作利用前沿的化學生物學手段建立了一種通用型的ExM技術:Click-ExM拓展了在超分辨熒光成像領域中的應用。

         

        陳興教授為該研究論文的通訊作者,北化學與分子工程學2016級博士研究生孫德恩為第一作者。該工作中的部分化學探針、細胞和組織樣品制備分別在北京大學雷曉光、王世強饒毅教授課題組進行研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、北京分子科學國家研究中心、北大-清華生命科學聯合中心的資助。

         

        原文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41592-020-01005-2

         

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