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扩展显微镜技术让普通显微镜也可以看到纳米级物质

来源:作者: 时间:2015-04-13 08:31:49

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我们用显微镜来观察细胞,因为显微镜可以让物体的影像变大。但如果把物体本身变大不就有相同效果?这种看似不科学的说法要如何办到?答案跟婴儿用的尿布有关。麻省理工学院神经工程师 Edward Boyden 研发一种称为“扩展显微镜”(expansion microscopy) 的技术,让被观察的物体膨胀,生物学家甚至可以用普通显微镜看到分子等级的脑部细节。

与昂贵技术有相同效果

Boyden 的技术其实跟 2014 年诺贝尔化学奖三位得主的萤光显微技术可以做个对比。诺贝尔奖的显微镜技术突破了可见光最小波长 400 纳米的限制,对于距离只有 20 纳米的物体仍能清晰分辨,不过缺点是所需的仪器很昂贵,且面对有厚度的物体较不易观察,例如肿瘤细胞或是整个大脑。Boyden 的技术则可以观察立体的组织,例如脑部神经细胞之间突触间隙及间隙一端的突触钮 (synaptic bouton)。

Boyden 运用的是丙烯酸类聚合物。常见的尿布或卫生棉之所以具有锁水功能,其中便含有丙烯酸;丙烯酸还能留住蛋白质分子。在 Boyden 的技术下,首先要把萤光分子锁定在要观察的蛋白质上,然后开始注水,要观察的组织因为加入丙烯酸而膨胀了 91.125 倍(三维方向各自膨胀 4.5 倍)。因为组织膨胀,被萤光分子标记的蛋白质彼此距离也拉开,可以让用可见光进行观察的显微镜也能看见。Boyden 表示这项技术可以让原先距离在 60 纳米以上的分子被清楚观察。

物质膨胀但无太多质变

重要的是,组织中的细胞仍然保持完好状态,蛋白质的相对位置与方向没有太大的改变,如上图左是膨胀后的样子,与图右的原始状态比较改变不大。这项改变根据研究团队的估计,大约是 1% 至 4% 之间。

2014 年诺贝尔化学奖得主之一的 Stefan Hell 表示,这项技术很有趣也值得继续发展,他提到 1990 年代德国就有科学家有类似的点子,但看来 Boyden 的研究团队才是真正把构想实现的人。

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