Nat Comm | 席鹏/戴琼海合作在超分辨显微成像上取得重要进展

BioArt2019.10.20
责编 | 酶美
偏振是光作为电磁波的基本物理属性之一。偏振特性在光场调控、显微成像、量子光学、立体显示等领域得到了广泛的应用。在生物学中,通过偏振成像测量荧光团的偶极子方向,可以揭示靶蛋白的取向。超分辨显微技术虽然能够突破光的衍射极限,实现百纳米尺度的高分辨率成像,但是由于无法获知生物分子的取向性,在应用中受到了极大限制【1】
为了研究蛋白在亚细胞结构中的定位和取向,北京大学席鹏课题组、清华大学戴琼海课题组及其他同事近期联合开发了偏振光结构光显微技术(pSIM)。这一工作发表在Nature Communications“Super-resolution imaging of fluorescent dipoles viapolarized structured illumination microscopy”【2】
结构光成像(SIM)由于其分辨率高、成像速度快等优点,能够高度兼容于活细胞成像,从而受到生物学家的青睐。在大多数SIM系统中,通过两个线偏振光之间的干涉效应(类似杨氏双缝干涉)产生高频结构光;结构光与样品的精细结构叠加,能够产生莫尔条纹。通过检测低频莫尔条纹,可以反推出样品的精细结构。
图 1 pSIM原理介绍。(a)两个不同频率的叠加将出现莫尔条纹。SIM通过频域分析莫尔条纹实现超分辨成像;(b)(c)SIM和pSIM空间-方位角的高维复合空间对比示意图。
借鉴这一原理,席鹏等人将偏振光对不同方向偶极子的调制看作是“角度结构光照明”,从而构建了空间-方位角的高维复合空间,并利用类似SIM的方式提取荧光偶极子的方位角,从而实现了偏振结构光成像。这一技术可以同时实现超微结构的高空间分辨率成像、生物分子偶极取向测量,并应用于活细胞的快速动态分析。
为了验证这一技术与SIM的广泛兼容特性,研究人员测试了多种商用SIM系统及自主搭建的SIM平台,以及2D-SIM、3D-SIM、TIRF-SIM成像能力,成功提取荧光分子的偶极子方位信息与超分辨结构信息。同时,研究人员进行了大量的生物学实验来证明其广泛的适用性,如λ-DNA、BAPE细胞和小鼠肾组织中的肌动蛋白丝、肌动蛋白和肌球蛋白之间的相互作用,以及中GFP染色的U2OS活细胞微管。特别是,研究小组针对神经元中的膜相关周期骨架(MPS)进行了研究。pSIM以高的空间分辨率和准确的偏振检测,揭示了肌动蛋白环在MPS中“并排”组装的新模型,推翻了以往发表在Science上的肌动蛋白环“端到端”的结构假设【3,4】。pSIM具有高的时空分辨率和独特的偶极子方向信息,在未来解决各种生物问题方面具有广阔的应用前景。
图 2 pSIM揭示了肌动蛋白环在MPS中“并排”组装的新模型,推翻了以往的肌动蛋白环“端到端”的结构假设。
一般来说,一项创新技术通常采取如下两种途径来造福科研界:1) 将相关技术开放获取,其他学者通过搭建类似系统来得到应用;2) 将相关技术商业化,其他学者通过采购仪器来得到应用。本工作开辟了推动科研的第三条途径:通过深入挖掘SIM技术及商用仪器的潜在特性,为现有的SIM系统“赋能”,挖掘出了包括其发明人都没有注意到的现有SIM系统内在的偏振探测特性,使现有系统不经任何改动,就可以实现偏振SIM的功能。这使得许多已有SIM系统的生命科学实验室可以直接进行偏振SIM的分析,必将极大地推进偏振超分辨成像的研究。为了便于用户使用,作者已经将这一技术的相关代码在Github网站公开(https://github.com/chenxy2012/PSIM)。
席鹏课题组近年来致力于偏振超分辨技术和SIM超分辨技术的开发,如:1) 利用偏振特性的荧光偶极子超分辨技术(SDOM)发表在Light: Science andApplications期刊【5】,并得到Nature Methods的高度评价【6】;2)将SDOM应用于金纳米粒子的SERS超分辨成像(Nanoscale 2018)【7】;3) 开发了减帧SIM技术来提升结构光成像的速率2倍以上【8】;4) 参与了Hessian-SIM超高速结构光成像技术的开发,并提出滚动SIM技术,可提升SIM成像速度3倍以上9。这些工作为本工作奠定了坚实基础。
本工作的共同第一作者、共同通讯作者张昊博士得到了北京大学博雅博士后计划资助,共同第一作者陈星晔为清华大学自动化系博士生。
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制版人:小娴子

参考文献

1. Jin D, Xi P, Wang B, Zhang L, Enderlein J,van Oijen AM. Nanoparticles for super-resolution microscopy and single-moleculetracking.Nature methods2018, 15: 415-423.
2. Zhanghao K, Chen X, LiM, Liu Y, Liu W, Luo S, et al.Super-resolution Imaging of Fluorescent Dipoles by Polarized StructuredIllumination Microscopy.NatureCommunications2019:10.1038/s41467-41019-12681-w.
3. Xu K, Zhong G, Zhuang X.Actin, spectrin, and associated proteins form a periodic cytoskeletal structurein axons.Science2013, 339(6118): 452-456.
4. Sigal YM, Zhou R, ZhuangX. Visualizing and discovering cellular structures with super-resolutionmicroscopy.Science2018, 361(6405): 880-887.
5. Zhanghao K, Chen L, YangX, Wang M, Jing Z, Han H, et al.Super-resolution with dipole orientation mapping via polarization demodulation.Light:Science & Applications2016, 5: e16166.
6. Strack R. Orientationmapping in super-resolution.NatureMethods2016, 13: 902.
7. Wang M, Chen M, ZhanghaoK, Zhang X, Jing Z, Gao J, et al.Polarization-based super-resolution imaging of surface-enhanced Ramanscattering nanoparticles with orientational information.Nanoscale2018, 10:19757-19765
8. Lal A, Shan C, Zhao K,Liu W, Huang X, Zong W, et al. Afrequency domain SIM reconstruction algorithm using reduced number of images.IEEE Transactions on Image Processing2018, 27(9): 4555-4570.
9. Huang X, Fan J, Li L,Liu H, Wu R, Wu Y, et al. Fast,long-term, super-resolution imaging with Hessian structured illuminationmicroscopy.Nature Biotechnology2018, 36: 451-459.