作者:麻省理工学院莎拉·麦克唐纳 麻省理工学院的工程师发明了一种新技术，可以将生物样本成像到9纳米的分辨率
他们开发了一种新型水凝胶，这种水凝胶保持了更均匀的结构，如图所示，可以更精确地成像微小结构
信用:埃拉·马鲁工作室 研究人员说，麻省理工学院的工程师使用普通光学显微镜，设计了一种技术，可以以10纳米的精度对生物样本成像，这应该使他们能够对病毒甚至可能是单个生物分子成像
这项新技术建立在膨胀显微镜的基础上，这种方法包括将生物样本嵌入水凝胶中，然后在用显微镜成像之前膨胀它们
对于这项技术的最新版本，研究人员开发了一种新型水凝胶，这种水凝胶保持了更均匀的结构，从而提高了微小结构成像的准确性
这种精确程度可以打开研究使生命成为可能的基本分子相互作用的大门
神经技术教授，麻省理工学院生物工程、大脑和认知科学教授，麻省理工学院麦戈文大脑研究所和科赫癌症综合研究所成员
“如果你能看到单个分子，并以一位数纳米的精度识别它们是什么种类，那么你也许就能真正看到生命的结构
现代生物学的一个世纪告诉我们，结构决定功能，”博伊登说，他是这项新研究的资深作者
这篇论文的主要作者是麻省理工学院研究科学家高瑞轩和周志杰
D
'20
其他作者包括临沂高博士
D
'20;前麻省理工学院博士后Kiryl Piatkevich麻省总医院基因技术核心主任雷切尔·内夫；麻省大学医学院微生物学和生理系统副教授詹姆斯·芒罗；和哈佛医学院前儿科助理教授、加州大学伯克利分校细胞和发育生物学助理教授斯里戈库尔·乌帕德亚尤拉
低成本、高分辨率 自从博伊登的实验室在2015年首次引入膨胀显微镜以来，世界各地的许多实验室已经开始使用它
利用这种技术，研究人员在对样本成像之前，将样本的线性尺寸放大了大约四倍，这样就可以在不使用昂贵设备的情况下生成高分辨率的图像
博伊登的实验室还开发了标记样本中蛋白质、核糖核酸和其他分子的方法，以便它们在扩增后可以成像
“数百个小组正在做膨胀显微镜检查
博伊登说:“对于一种简单、廉价的纳米成像方法的需求显然被压抑了。”
“现在的问题是，我们能得到多少好处？能不能归结到单分子精度？因为最终，你想达成一个能触及生活基本组成部分的决议
" 其他技术，如电子显微镜和超分辨率成像提供了高分辨率，但所需的设备昂贵，不能广泛使用
然而，膨胀显微镜可以用普通光学显微镜进行高分辨率成像
在2017年的一篇论文中，博伊登的实验室展示了大约20纳米的分辨率，使用了一种在成像前将样本膨胀两次的过程
这种方法，以及早期版本的膨胀显微镜，依靠一种由聚丙烯酸钠制成的吸收性聚合物，通过一种叫做自由基合成的方法组装而成
这些凝胶遇水膨胀；然而，这些凝胶的一个限制是它们在结构或密度上不完全一致
这种不规则性导致样品膨胀时形状的微小变形，限制了可以达到的精确度
为了克服这一点，研究人员开发了一种新的凝胶，称为四凝胶，它形成了一种更可预测的结构
通过将四面体聚乙二醇分子与四面体聚丙烯酸钠结合，研究人员能够创建一种晶格状结构，这种结构比他们以前使用的自由基合成聚丙烯酸钠水凝胶更均匀
研究人员证明了这种方法的准确性，用它来扩大粒子的单纯疱疹病毒1型(HSV-1)，这是一个独特的球形
在膨胀病毒颗粒后，研究人员将形状与电子显微镜获得的形状进行了比较，发现变形比以前版本的膨胀显微镜观察到的要低，使它们达到了大约10纳米的精度
“我们可以观察这些蛋白质在膨胀时是如何排列变化的，并评估它们与球形的接近程度
这就是我们如何验证它，并决定我们如何忠实地保存这些分子的形状和相对空间排列的纳米结构，”高瑞轩说
单分子 研究人员还使用他们的新水凝胶来扩增细胞，包括人类肾细胞和小鼠脑细胞
他们现在正在研究提高精确度的方法，以便能够对这些细胞中的单个分子进行成像
这种精确度的一个限制是用于标记细胞中分子的抗体的大小，大约10到20纳米长
为了对单个分子成像，研究人员可能需要创建更小的标签，或者在扩增完成后添加标签
他们还在探索其他类型的聚合物，或者四凝胶聚合物的改良版本，是否能帮助他们实现更高的精确度
博伊登说，如果他们能够精确到单个分子，许多新的领域可以探索
例如，科学家可以瞥见不同分子如何相互作用，这可以揭示细胞信号通路、免疫反应激活、突触沟通、药物-靶相互作用和许多其他生物现象
“我们喜欢观察细胞的区域，比如两个神经元之间的突触，或者其他参与细胞间信号传递的分子，并找出所有部分是如何相互交流的，”他说
"他们是如何一起工作的，他们在疾病中是如何出错的？"
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