熒光顯微鏡對結(jié)構(gòu)或分子的解析效果取決于從結(jié)構(gòu)中收集的光量。在熒光顯微鏡中，可以延長曝光時間以增加檢測到的光量。然而，微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出隨機和定向運動。延長曝光時間會導致結(jié)構(gòu)模糊。
現(xiàn)在，研究人員開發(fā)了一種技術(shù)，可以在任何感興趣的時間點(幾毫秒內(nèi))直接在熒光顯微鏡上觀察活細胞中的分子動態(tài)，從而捕獲分子活動模式。通過這樣做，可以同時繞過運動模糊和光破壞的兩個基本問題。
這項工作發(fā)表在《科學進展》的文章中，“在顯微鏡上對活細胞進行超快速冷凍捕獲可以對非平衡分子模式進行多尺度成像。”
通過極快地冷卻至分子運動幾乎停止的溫度(-196°C)來完成阻止。由于兩個原因，逮捕必須非常快。首先，如果逮捕太慢，定義活細胞的通電微觀模式就會分解成死亡狀態(tài)。其次，逮捕的速度必須快于冰的形成過程，冰的形成會破壞細胞。
在0°C至-136°C的臨界范圍內(nèi)，結(jié)冰速度極快。然而，與直覺不同的是，在非常低的溫度(低于-136°C)下，冰晶無法形成，因為水分子的運動幾乎停止了。這意味著冷卻速度必須快于每秒100,000°C。
研究人員通過開發(fā)一種與顯微鏡集成的超快速冷卻裝置，克服了這一技術(shù)挑戰(zhàn)，其中液氮(-196°C)的冷量在高壓下加速到鉆石上。同一顆鉆石的另一側(cè)還固定著含有細胞的樣品。高壓爆裂與金剛石卓越的導熱性相結(jié)合，實現(xiàn)了必要的高冷卻速率，使細胞在-196°C的溫度下保持其原始配置。這不僅解決了運動模糊的問題，還阻止了光化學破壞。這開啟了幾乎無限曝光的可能性，突出了在噪音中被掩蓋的分子圖案。
超快速冷凍捕獲允許使用通常具有破壞性的高激光功率以數(shù)十納米的分辨率分析原本不可見的天然分子模式。由于在-196°C下不存在光破壞，因此可以通過不同的顯微鏡模式觀察相同的捕獲細胞，以測量從分子到細胞尺度的模式。這項新技術(shù)發(fā)現(xiàn)了癌蛋白和腫瘤抑制蛋白的納米級共組織，可以保護細胞免于表現(xiàn)出惡性行為。
“這是熒光顯微鏡的一個有利步驟，特別是超分辨率顯微鏡和顯微光譜學的結(jié)合，可以在多個尺度上繪制細胞中的分子反應，”系統(tǒng)細胞生物學系教授兼主任PhilippeBastiaens博士
說，馬克斯普朗克分子生理學研究所，位于德國多特蒙德。“它將改變我們觀察細胞中分子組織和反應模式的方式，從而提供對生命物質(zhì)自組織能力的更多見解。”
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