【高中生物】Nature新闻：超越极限的突破性技术

【高中生物】Nature新闻：超越极限的突破性技术
科学家们利用婴儿尿不湿里的吸水材料让大脑组织膨胀，使普通显微镜达到了60nm
的分辨率。

显微镜可以放大活细胞和组织的图像。

如果我们真的能放大它们呢？这听起来像是
《爱丽丝梦游仙境》中的童话故事，但事实上，科学家已经开发出了这种技术。

这种放大
技术可以在传统显微镜下成像整个大脑，并揭示超出光学极限的分子细节。

上个月，麻省理工的edwardboyden在一次会议上展示了自己和feichen、
paultillberg开发的膨胀显微技术（expansionmicroscopy）。

类似工作的技术
膨胀显微技术与超高分辨率显微技术有异曲同工之妙，都能超越显微成像的衍射极限。

去年，美国和德国的三位科学家因为超高分辨率显微技术获得了诺贝尔化学奖。

几个世纪以来，光学显微镜的“衍射极限”一直被认为是无法克服的。

近年来，科学
家们以不同的方式“突破”了这一限制，使人们能够区分相距不到200纳米的两个物体。

目前的超高分辨率显微镜技术可以分辨距离约为20纳米的物体。

然而，这项技术需要昂
贵的专业仪器，而且在厚样品中效果并不理想。

神经学科学家都希望在一群神经元甚至整个大脑中，确定神经突触上的蛋白定位。

“我们尝试将一切放大，”boyden在美国nih的一次会议上说。

为此，他的研究团队使用了丙烯酸盐（acrylate），丙烯酸盐是婴儿尿不湿中主要的锁水成分。

这一物质有两个特
别的性能，一是形成可以固定蛋白的网，二是遇水膨胀。

boyden的组织在膨胀之后，向各方向增大了约4.5倍。

加水就行了
科学家们先将组织透明化，加入能将特定蛋白锚定在丙烯酸盐上的荧光分子，然后把
丙烯酸盐注入组织。

丙烯酸盐遇水膨胀之后，荧光标记分子彼此被拉远，之前用可见光显
微镜难以分辨的蛋白也变得清晰。

boyden展示，这个技术可以分辨膨胀前相距60nm的分子。

值得注意的是，这项技术可以在很大程度上保留蛋白质的相对方向和连接，并保持其
他细胞结构的完整性。

据估计，蛋白质的相对位置仅扭曲了1-4%。

膨胀显微技术能够很好的与其它超高分辨率技术结合，boyden介绍道。

研究人员用这一技术膨胀了小鼠的大脑组织，在神经突触的相对末端测量了两个蛋白的距离。

他们的测
量结果几乎和超高分辨率技术得出的结果一样。

然而，博伊登说，肿胀显微镜可能更适合于复杂组织的三维成像。

在会议上，他展示
了一张0.5毫米老鼠大脑中马体的图像，揭示了相邻神经元之间的联系。

放大这张图甚至可以看到微小的突触结构，释放神经递质的bouton结构。

boyden的
团队用膨胀显微技术研究了果蝇和斑马鱼的大脑，其合作团队还将这一技术用于人类大脑。

不断突破极限
这是科学家们通过处理生物学组织突破硬件极限的又一范例，加州理工的神经学科学
家vivianagradinaru说。

gradinaru与光遗传学之父karldeisseroth开发了一个清除脂
肪和其它分子的透明化方法。

该方法可以使完整的大脑组织变透明，允许光学显微镜成像
厚切片。

去年，gradinaru团队将这一技术成功用于完整器官和整只小鼠。

（相关报道：cell新突破：全身透明的小鼠）
马克斯·普朗克生物物理与化学研究所的斯特凡·海勒（Stefan halel）是去年诺贝
尔化学奖的获得者之一，他认为膨胀显微镜技术非常有趣，值得进一步发展。

德国罗斯托
克大学的科学家在20世纪90年代提出了类似的想法。

“看来博伊登他们找到了一种真正
有效的方法，”壳牌说。