通过光照射在细胞膜上—研究人员现在可以对细胞和分子的运动进行6D成像

       简介: 研究人员正以创新地利用光来更好地对生物样本进行成像。

       Matthew Lew at Washington University in St. Louis实验室的研究提出了看待“极小”的全新方式。

       这项研究是由McKelvey School of Engineering的博士生撰写的两篇论文，发表在Optica 和 Nano Letter上。

       他们已经开发了新的硬件和算法，使他们能够在三维之外可视化生物世界的构建模块，这种方式直到现在都是不可实现的。毕竟，细胞是3D物体，充满了“东西”——分子——它们四处移动、旋转、旋转和翻滚来驱动生命本身。

       和传统显微镜一样，Lew实验室的两名博士生Tingting Wu和Oumeng Zhang利用光来观察微观世界，但他们的创新型方式与传统截然不同。目前，当人们使用光进行成像时，他们可能对光的亮度或颜色感兴趣。但光还有其他性质，包括偏振。

图：成像系统原理图

      “Oumeng的工作扭转了光的偏振，”Lew说。“这样，你可以看到物体是如何平移(直线移动)和旋转的”——这是传统成像无法做到的。

       “新技术的发展和看到我们以前看不到的东西的能力是令人兴奋的，”Zhang说。这种同时跟踪旋转和位置的独特能力让他对生物材料——例如人类细胞和病原体——如何相互作用有了独特的见解。

       Wu的研究还提供了一种新的方法来对细胞膜成像，并在某种程度上可以看到它们的内部。利用荧光示踪分子，她绘制了示踪分子如何与膜中的脂肪和胆固醇分子相互作用，确定了脂质是如何排列和组织的。

       “任何细胞膜，任何细胞核，细胞中的任何东西都是3D结构，”她说。“这有助于我们探索生物系统的全貌。这项研究使我们能够超越三维——我们看到的是三维结构加上三维分子方向，给我们6D图像。”

       研究人员开发了计算成像技术，使软件和硬件协同起来，成功地看到以前看不见的东西。

       “这是创新的一部分，”Lew说。“传统上，生物成像实验室与商业制造商生产的任何产品都有联系。但如果我们改变设计方式，我们可以做得更多。”

[1] Tingting Wu, Jin Lu, Matthew D. Lew. Dipole-spread-function engineering for simultaneously measuring the 3D orientations and 3D positions of fluorescent molecules. Optica, 2022; 9 (5): 505 DOI: 10.1364/OPTICA.451899
[2] Oumeng Zhang, Weiyan Zhou, Jin Lu, Tingting Wu, Matthew D. Lew. Resolving the Three-Dimensional Rotational and Translational Dynamics of Single Molecules Using Radially and Azimuthally Polarized Fluorescence. Nano Letters, 2022; 22 (3): 1024 DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03948