一种用于探索细胞分裂的新型超分辨率

一种观察小于光波长一半的细节的新方法揭示了细胞内纳米级支架在细胞分裂过程中如何与宏观尺度相桥接。与早期的超分辨率技术不同，密歇根大学开发和测试的超分辨率技术不依赖于因长期使用而磨损的分子。

超分辨率可以揭示小至10纳米的结构，或者与100个原子大致相同的宽度。它在生物学领域打开了一个全新的世界，最先使之成为可能的技术于2014年获得了诺贝尔奖。然而，它的弱点是只能拍摄数十秒的快照。这使得不可能长期观察细胞机制的演变。

“我们想知道，当整个系统分裂时，纳米级结构如何与纳米级的邻居相互作用，以及这种相互作用如何扩展到整个细胞?”密歇根大学电气与计算机工程助理教授SominLee问道，他领导了这项发表在《自然通讯》杂志上的研究。

为了回答这个问题，李和他的同事需要一种新的超分辨率。使用他们的新方法，他们能够连续监测一个细胞250小时。

“活细胞是一个繁忙的地方，蛋白质到处忙碌。我们的超分辨率对于观察这些动态活动非常有吸引力，”博士说GuangjieCui。电气和计算机工程专业的学生，​​也是该研究的共同第一作者，与博士生刘云波一起。电气和计算机工程专业毕业生。

与原来的方法一样，新技术使用靠近感兴趣的纳米级物体的探针来揭示它们。超分辨率1.0为此使用了荧光团，荧光分子在被照射后会发出应答光。如果荧光团之间的距离比所成像物体的大小更近，则可以根据荧光团产生的光突发来重建图像。

新技术使用金纳米棒，这种金纳米棒不会因反复暴露在光线下而分解，但利用与它们相互作用的光更具挑战性。纳米棒对光的相位或构成光的电场和磁场的上下振荡做出响应。这种相互作用取决于纳米棒与入射光的角度。

与荧光团一样，纳米棒可以附着在特定的细胞结构上，其表面有靶向分子。在这种情况下，纳米棒寻找肌动蛋白，一种为软细​​胞增加结构的蛋白质。肌动蛋白的形状像分支丝，每根直径约为7纳米(百万分之一毫米)，但它们连接在一起跨越数千纳米。尽管纳米棒的直径通常是肌动蛋白直径的两倍以上，但它们作为一个整体提供的数据可以阐明其微小的细节。

为了定位纳米棒，该团队构建了由薄层聚合物和液晶制成的过滤器。这些滤光片能够检测具有特定相位的光，使团队能够挑选出与入射光具有特定角度的纳米棒。通过拍摄10-30张图像(每张图像查看不同的纳米棒子集)并将它们合并成单个图像，该团队能够推断出细胞内细丝的纳米级细节。这些细节在传统显微镜下会变得模糊。

使用该技术，研究小组发现了控制肌动蛋白在细胞分裂过程中自组织方式的三个规则：

当肌动蛋白丝相距较远时，肌动蛋白会扩张以到达邻近的肌动蛋白丝。

肌动蛋白会更加接近它的邻居以增加联系，尽管这种趋势会受到扩张和接触更多邻居的驱动力的影响。

因此，肌动蛋白网络在连接较多时趋于收缩，而在连接较少时会扩张。

肌动蛋白的行为与细胞的行为相关，但当肌动蛋白扩张时细胞收缩，当肌动蛋白收缩时细胞也扩张。研究小组希望进一步探索这一点，找出为什么运动在不同尺度上是相反的。他们还想研究这种分子过程失调的后果：这是某些疾病的根源吗?

更广泛地说，他们希望利用超分辨率来了解自组织是如何构建到生物结构中的，而不需要中央控制。

“我们的遗传密码实际上并没有包含足够的信息来编码组织过程的每个细节，”李说。“我们希望探索没有中央协调的集体行为机制，就像鸟儿编队飞行一样，其中系统是由各个部分之间的相互作用驱动的。”

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