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工學院席鵬課題組實現活細胞線粒體STED長時程觀察

2020-07-27

免费开户送58元体验金_开户免费送白菜娱乐网_八大胜开户网址_开户送体验金app下载_乐城开户送38元体验金席鵬課題組與合作者在活細胞超分辨成像領域做出新突破,翻開了活細胞線粒體STED(Stimulated Emission Depletion Microscopy)長時程觀察的新篇章。該工作開發了一種新型線粒體染料MitoESq-635,其飽和光強相較於傳統的ATTO 647N降低3.4倍,有利於長時間STED超分辨成像。利用這一優勢,該工作實現了對活細胞線粒體長達50分鍾的活細胞動態觀測,達到了35.2納米的超高分辨率,觀測到了線粒體聚合以及分裂的動態過程。該成果於7月24日在線發表在Nature子刊《自然·通訊》(Nature Communications)上。

線粒體是細胞的“發電廠”,其內部具有豐富的線粒體脊用於ATP合成。由於它具有自己獨立的DNA,其也經常被認為是遠古細菌入侵細胞並形成共生關係的一種典範。同時,在癌症等疾病中,由於新陳代謝異常,線粒體脊也呈現異常。然而,受到衍射極限的影響,傳統顯微鏡隻有300nm左右的分辨率,無法觀測線粒體脊這類細微結構。STED超分辨技術因其超高分辨率和較快的成像速度,適用於研究線粒體脊結構。但是STED技術通常需要較高的光強實現超分辨,對於線粒體的毒性極高,且普通染料很容易被光漂白。該項目所研發的新型線粒體染料MitoESq-635有較低的飽和功率,實現相同的分辨率隻需要相對更低的STED光強,降低了光漂白的效果;同時有較高的穩定性,能夠長時間照射仍保有較強的熒光強度。共定位結果顯示該染料能特異性標記線粒體。這些特性使得它成為活細胞線粒體長時間STED超分辨成像的最佳染料之一。

利用這一染料結合STED超分辨技術,該工作實現了三維切片STED成像,提供了豐富的線粒體三維立體信息。該技術的動態超分辨的觀測能力,推動了對線粒體動態過程的定量分析。隨著拍攝時間的增加,線粒體的寬度會逐漸變大,熒光強度會緩慢下降,圖像分辨率也會下降。通過合理地定量分析找到了合適的STED照射光強,平衡了分辨率、信噪比、拍攝時間等幾個方麵的參數。

該項目清晰地觀察到了線粒體聚合以及分離的過程,對比與普通共聚焦顯微鏡,該技術實現了35.2納米的超高分辨率,清晰地看到了線粒體脊的動態變化。同時觀察到了線粒體聚合在一起,以及分離開來的動態過程,對線粒體形態學和功能變化的研究有著重要意義。對比電子顯微鏡的圖片,該項目在動態成像的基礎上觀察到了類似的線粒體結構,也進一步驗證了該技術的超高分辨能力。

北京大學席鵬教授提到:成像技術的發展目標不外乎“清”,“快”,“深”,“活”(“輕快生活”)四個字,本項目正是在這四字方針的指導下,向“清晰”,“快速”,“深層”,“活體”這四個方麵研究突破,實現了35.2納米的超高空間分辨率,同時可以達到0.66秒每幀的較高時間分辨率,較深的三維切片成像,以及長達50多分鍾的活細胞動態成像。

該工作的共同第一作者楊旭三是免费开户送58元体验金_开户免费送白菜娱乐网_八大胜开户网址_开户送体验金app下载_乐城开户送38元体验金畢業博士生(導師席鵬),目前在康奈爾大學進行博士後研究,共同第一作者楊誌剛是深圳大學光電工程學院教授,共同一作吳朝陽是免费开户送58元体验金_开户免费送白菜娱乐网_八大胜开户网址_开户送体验金app下载_乐城开户送38元体验金博士生(導師席鵬)。共同通訊作者分別為:席鵬,屈軍樂(深圳大學),楊誌剛(深圳大學,共同一作),楊旭三(共同一作)。


圖 活細胞線粒體STED長時程成像。(a)線粒體動態成像結果; (b)共聚焦和STED對比; (c)強度分布展現了35.2納米分辨率

席鵬課題組近年來致力於超分辨技術的開發與應用,如:1) 綜合利用上轉換納米探針的光子雪崩和交叉馳豫特性,實現了上轉換低功率STED,將飽和光強降低兩個數量級以上(Nature 2017);2) 利用反射駐波光場調控成功實現19 nm的STED超分辨成像,達到目前STED生物樣品成像分辨率的最高紀錄,並對細胞核孔和病毒絲進行成像 (Light 2016);3) 利用高斯-貝塞爾光場調控,將STED成像的軸向深度提升一個數量級(Laser Photonics Review 2016);4) 結合偏振與結構光實現熒光偶極子超分辨成像(Light 2016Nature Communications 2019),並兩次得到Nature Methods的研究亮點評價。這些工作為本工作奠定了堅實基礎。

 

原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-17546-1