麻省理工新技術：納米級成像不再依賴超顯微鏡

在細胞中對納米級結構進行成像的經典方式是藉助高功率且昂貴的超分辨率顯微鏡。

作爲一種替代之選，麻省理工學院的研究人員研發出了一種在成像前拓展組織的辦法——該技術讓他們能夠利用常規光學顯微鏡達成納米級分辨率。

在這項技術的最新版本里，研究人員已經能夠在一個步驟中把組織擴大 20 倍。

這種既簡單又廉價的方法能夠使幾乎任何生物實驗室開展納米級成像。

憑藉這種技術所實現的分辨率約爲 20 納米，科學家能夠看到細胞內的細胞器和蛋白質簇。

經過 20 倍的膨脹，研究人員可以使用常規的光學顯微鏡來分辨約 20 納米大小的東西。

這使他們能夠看到像微管和線粒體這樣的細胞結構，以及蛋白質簇。

在新的研究中，研究人員着手僅通過一個步驟實現 20 倍的膨脹。

這意味着他們必須找到一種既具有極強吸水性又機械穩定的凝膠，這樣它在膨脹 20 倍時纔不會散開。

他們利用由 N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）和丙烯酸鈉組合而成的凝膠來達成這一目的。

和之前那種依靠添加另一種分子在聚合物鏈之間形成交聯的膨脹凝膠不一樣，這種凝膠能夠自發形成交聯，還展現出強大的機械性能。

這種凝膠成分此前已在膨脹顯微鏡方案中得到應用，不過所得凝膠僅能膨脹約十倍。

麻省理工學院的團隊對凝膠和聚合過程進行了優化，讓凝膠更加堅固，並且能夠允許膨脹 20 倍。

爲了進一步穩固凝膠並增強其重現性，研究人員在凝膠形成之前將聚合物溶液中的氧氣去除，以防止干擾交聯的副反應。

此步驟需要讓氮氣通過聚合物溶液，這樣就能取代系統中的大部分氧氣。

一旦凝膠形成，維繫組織的蛋白質中的特定鍵會斷裂，接着加水讓凝膠膨脹。膨脹之後，就能夠對組織中的目標蛋白質進行標記和成像。

使用這種技術，研究人員能夠對腦細胞內的許多微小結構進行成像，包括突觸納米柱。

這些是在神經元突觸處按特定方式排列的蛋白質簇，能讓神經元藉助分泌諸如多巴胺之類的神經遞質來相互交流。

在針對癌細胞的研究裡，研究人員還對微管進行了成像——微管屬於空心管，有助於賦予細胞結構，且在細胞分裂中起着重要作用。

他們還能夠看到線粒體（能產生能量的細胞器），甚至單個核孔複合物（控制進入細胞核的蛋白質簇）的組織情況。

研究人員當下正在運用這種技術給在細胞表面發現的被稱作聚糖的碳水化合物進行成像，並且助力控制細胞與環境的相互作用。

這種方法也可用於給腫瘤細胞成像，讓科學家能夠比以往更輕鬆地瞭解這些細胞內蛋白質的組織方式。

研究人員認爲，任何生物學實驗室都應當能夠以低成本運用這種技術，因爲它依靠標準的現成化學品以及常見設備，像共聚焦顯微鏡和手套箱，這些大多數實驗室要麼已經擁有，要麼能夠輕鬆獲取。