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研究小組正在開發(fā)納米級(jí)力傳感器,并改進(jìn)高精度顯微鏡技術(shù)
來源:互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)表于 2023/8/29

細(xì)胞內(nèi)力傳感器的作用原理為左。熒光蛋白(黃色和青色)來自水母,而橡皮筋部分(黑色)利用了蜘蛛網(wǎng)蛋白。靶蛋白結(jié)合抗體(深棕色)來源于羊駝。右圖是超分辨率顯微鏡和常規(guī)顯微鏡對(duì)細(xì)胞核成像的比較。資料來源:坦佩雷大學(xué)Teemu Ihalainen


在許多情況下,細(xì)胞在運(yùn)動(dòng)中非;钴S,就像發(fā)電機(jī)一樣。細(xì)胞產(chǎn)生物理力的能力是身體的基本功能之一。例如,當(dāng)跑步時(shí),細(xì)胞中產(chǎn)生的力量使肌肉收縮,呼吸工作。過去開發(fā)的力傳感器甚至可以測(cè)量單個(gè)蛋白質(zhì)所承受的力,但以前細(xì)胞內(nèi)的力和機(jī)械應(yīng)變是無法測(cè)量的。


坦佩雷大學(xué)的細(xì)胞生物學(xué)研究人員與俄亥俄州立大學(xué)的科學(xué)家一起開發(fā)了一種力傳感器,可以附著在機(jī)械反應(yīng)蛋白質(zhì)的側(cè)面,使其能夠感知細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)上的力和張力。


微型傳感器的開發(fā)始于2019年12月的一次會(huì)議旅行。


“功率傳感部分就像橡皮筋,拉伸時(shí)可以改變顏色。該部分附著在橡皮筋兩端的抗體上,與所研究的細(xì)胞靶蛋白結(jié)合。坦佩雷大學(xué)生物科技研究員Teemu Ihalainen說:“然后,通過跟蹤橡皮筋的伸長(zhǎng),可以在顯微鏡下檢測(cè)所研究蛋白質(zhì)的力或伸長(zhǎng)!


根據(jù)Ihalainen的說法,這種只有20納米大小的力傳感器可以很容易地推廣到廣泛的細(xì)胞生物學(xué)研究和各種靶蛋白。在蛋白質(zhì)生物傳感器的幫助下,可以測(cè)量核膜中的力,不同蛋白質(zhì)之間的力,或者通常在細(xì)胞的細(xì)胞骨架中。它允許細(xì)胞的機(jī)制第一次轉(zhuǎn)化為可見的形式。


日本、印度、挪威和美國(guó)的許多實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生了較大的興趣。


細(xì)胞的內(nèi)力提供了癌癥機(jī)制的信息


無論是在正常的身體機(jī)能中還是在疾病中,細(xì)胞總是受到外力的影響。


例如,當(dāng)癌細(xì)胞生長(zhǎng)和移動(dòng)時(shí),細(xì)胞受到機(jī)械力的作用。當(dāng)癌細(xì)胞擴(kuò)散時(shí),例如,當(dāng)它進(jìn)入血液或淋巴管時(shí),癌細(xì)胞需要通過其微環(huán)境中的狹窄間隙。因此,癌細(xì)胞受到強(qiáng)大的壓縮和拉伸力,可以分解一些細(xì)胞。細(xì)胞核的損傷會(huì)改變其基因組結(jié)構(gòu),在某些情況下,這甚至可能有利于癌癥的發(fā)展。


“在傳感器的幫助下,癌癥的機(jī)制和相關(guān)過程可以從一個(gè)全新的角度進(jìn)行監(jiān)測(cè),”Ihalainen提到。


這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

熒光標(biāo)記的細(xì)胞核,用共聚焦顯微鏡成像。圖像尺寸約為0.03 mm × 0.02 mm。圖片來源:Teemu Ihalainen


即使是小的細(xì)節(jié)也可以用超分辨率顯微鏡看到


近期的另一項(xiàng)研究通過結(jié)合細(xì)胞生物學(xué)和信號(hào)處理專業(yè)知識(shí)來改進(jìn)擴(kuò)增顯微鏡。除了細(xì)胞生物學(xué)研究人員外,坦佩雷大學(xué)工程與自然科學(xué)學(xué)院的成像專家以及Jyväskylä大學(xué)的病毒學(xué)家也參與了這項(xiàng)研究。


光學(xué)顯微鏡的分辨率是有限的,因?yàn)闃悠分械男〗Y(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)是模糊的,由于透鏡-光相互作用。然而,不同的超分辨率顯微鏡技術(shù)允許分離非常小的細(xì)節(jié)。其中一種技術(shù)是所謂的擴(kuò)展顯微鏡,其原理是物理放大物體,例如細(xì)胞,從而觀察其內(nèi)部的微小物體。在實(shí)踐中,將樣品澆鑄在軟凝膠中,軟凝膠可以膨脹四倍或更多,并且還可以放大樣品的所有細(xì)節(jié)。


“然而,問題是,細(xì)胞的細(xì)節(jié)越小,可見的分子就越少。這意味著從樣本中獲得的信號(hào)較少,即信息較少,而且通常會(huì)有很多噪音,有點(diǎn)像電視屏幕上的雪,”伊哈拉寧說。


研究小組發(fā)現(xiàn),解決這個(gè)問題的方法可以是對(duì)細(xì)胞進(jìn)行重復(fù)熒光標(biāo)記。他們產(chǎn)生了多次標(biāo)記目標(biāo)蛋白質(zhì)的想法,使它們看起來更亮,提供更多的信息。


“在實(shí)踐中,我們所做的是將更多的熒光分子泵入目標(biāo)蛋白質(zhì),就像我們添加反射器一樣。該方法簡(jiǎn)便易行,大大提高了圖像的分辨率和對(duì)比度。噪聲也被從圖像中計(jì)算去除,這進(jìn)一步提高了圖像的清晰度,”他提到。


與許多超分辨率顯微鏡技術(shù)不同,膨脹顯微鏡不需要昂貴的儀器,而且易于實(shí)施。研究人員開發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于研究非常小的細(xì)節(jié)特別有用。例如,現(xiàn)在甚至可以用光學(xué)顯微鏡觀察120納米皰疹病毒的結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡下,病毒只能以單個(gè)點(diǎn)的形式可見。


該研究“迭代免疫染色結(jié)合擴(kuò)增顯微鏡和圖像處理揭示核層的納米級(jí)網(wǎng)絡(luò)組織”發(fā)表在《細(xì)胞分子生物學(xué)》雜志上。

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