低温电子显微镜2.0：UCLA获得诺贝尔奖的成像技术又有突破性进展

低温电子显微镜2.0：UCLA获得诺贝尔奖的成像技术又有突破性进展一系列低温电子显微镜图像。灰度照片是成像支架附着在目标蛋白质上的多个视图的二维投影；彩色图片说明了从二维投影得出的三维重建。图片来源：RogerCastells-Graells/加州大学洛杉矶分校由加州大学洛杉矶分校领导的一个生物化学家小组设计出了一种解决方案，可以在成像时固定住小的蛋白质分子，这将使低温电子显微镜能够生成更清晰的小分子图像。这一进展意义重大，因为中小型蛋白质分子是癌症和其他疾病潜在新药研究的一个重点领域。2017年诺贝尔化学奖授予了开发冷冻电子显微镜（cryo-EM）的科学家，这是一项开创性技术，可对大型生物分子的原子结构进行高分辨率成像。然而，冷冻电镜仍有缺陷：它只对大分子成像有效。现在，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的生物化学家与制药业科学家合作开发出了一种解决方案，使低温电子显微镜也能获取较小蛋白质分子的高质量图像。科学家们设计了一种20纳米的立方体蛋白质结构，称为"支架"，具有类似三脚架的刚性突起，可将小蛋白质固定到位。在处理成像时，可以用数字技术将支架从图片中移除，只留下科学家们正在分析的小蛋白质的合成三维图像。附着在蛋白质KRAS（背景）上的支架电子显微镜图像。左侧圆圈显示的是一个成像支架，第二个圆圈显示的是与KRAS结合的成像支架的三维结构，第三个圆圈显示的是KRAS与抗癌药物AMG510结合的特写。图片来源：RogerCastells-Graells/加州大学洛杉矶分校中小型蛋白质是潜在新药研究的热点，这些新药有朝一日可能被用来对抗一些最棘手的人类疾病。科学家们正在对一种蛋白质进行测试，研究它在癌症治疗中的用途。研究人员预计，扩大低温电子显微镜的成像能力将有助于他们确定蛋白质上的特定位置，从而确定治疗目标。有关这项新研究的论文最近发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。低温电子显微镜的工作原理在冷冻电子显微镜中，科学家使用冷冻电子显微镜发送一束电子穿过冷冻的材料样本，留下样本中成千上万分子（如蛋白质）的图像。分子在样本中的位置会被精确成像，从而产生成千上万张从不同角度拍摄的分子二维照片。计算机对所有这些照片进行处理，形成正确的三维图像--分离背景，将方向相似的图像组合在一起，生成单个分子的高分辨率三维图像。但是，在对最小的蛋白质分子进行成像时，由于它们的尺寸极小，因此无法确定它们在图像中的方向，从而产生了分辨率相对较低的图像。在以前的研究中，科学家们试图通过将小分子附着在较大的支架上来解决这个问题，但这些实验表明，如果小分子附着得过于灵活，它们就会以不同的角度和方向从支架上突出来，这仍然会产生模糊的图像。加州大学洛杉矶分校生物化学荣誉杰出教授、加州大学洛杉矶分校能源部基因组学和蛋白质组学研究所临时所长托德-耶茨（ToddYeates）是这篇论文的通讯作者，他说："图像之所以模糊，是因为计算机在无法准确确定方向的情况下，无法生成清晰的合成图像。"在这项新研究中，科学家们创建的支架具有三脚架形状的突起，可以捕捉蛋白质并将其牢牢固定，从而获得他们想要的更高分辨率图像。耶茨说："将小分子牢固地附着在较大的支架上，就能产生足够大的颗粒来进行成像，而且这些颗粒的三维形状都完全相同。从这里开始，整个过程就像往常一样，构建出高分辨率的三维图像"。该研究的第一作者、加州大学洛杉矶分校博士后研究员罗杰-卡斯特尔斯-格拉埃尔斯（RogerCastells-Graells）说，科学家们首先尝试了另一种形状的支架，然后才确定了带有三脚架状突起的版本。他说："起初，我们使用一根向外的'棍子'，但效果并不好。新支架上的突起呈三胞胎状相互指向，就像三脚架一样，能牢牢地固定住蛋白质。"在药物开发中的应用研究人员通过尝试创建一种名为KRAS的蛋白质的图像来测试他们的支架，这种蛋白质能促进细胞增殖。它在大约25%的人类癌症中起着作用。制药研究人员对这种蛋白质特别感兴趣，因为确定蛋白质上与其致癌能力有关的特定位置，可以帮助科学家设计出中和这些位置活性的药物--这可能是治疗癌症的一条途径。加州大学洛杉矶分校领导的研究小组利用低温电子显微镜和他们开发的支架，观察了附着在药物分子上的KRAS原子结构。他们的工作证明，新的支架低温电子显微镜方法可以揭示药物分子如何与KRAS等细胞蛋白结合并抑制它们，有助于指导开发更有效的药物。据Castells-Graells称，这项新进展的潜在应用不仅限于抗癌药物。他说："我们的支架是模块化的，可以任意组合，捕捉和容纳各种小分子蛋白质。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387189.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387189.htm

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一种基于无透镜成像的新方法可以实现近乎完美的高分辨率显微镜观察圆环状光束从具有规则重复结构的物体上反弹产生的散射图案。资料来源：Wang等人，2023年，"Optica"（光学）。功能最强大的无透镜成像技术被称为"层析成像"，其工作原理是用类似激光的光束扫描样品，收集散射光，然后利用计算机算法重建样品图像。虽然层析成像技术可以观察到许多纳米结构，但这种特殊的显微镜在分析具有非常规则的重复图案的样品时会遇到困难。这是因为在扫描周期性样品时，散射光不会发生变化，因此计算机算法会感到困惑，无法重建良好的图像。面对这一挑战，刚刚毕业的博士研究员王斌和内森-布鲁克斯与JILA研究员MargaretMurnane和HenryKapteyn合作，开发出一种新方法，利用具有特殊涡旋或甜甜圈形状的短波长光来扫描这些重复表面，从而产生更多不同的衍射图样。这使得研究人员能够利用这种新方法捕捉到高保真的图像重建，他们最近在《光学》（Optica）杂志上发表了这篇论文。这项成果还将在《Optica》杂志的《光学与光子学新闻》（OpticsandPhotonicsNews）2023年光学年度要闻中重点介绍。这种新的成像方法对于纳米电子学、光子学和超材料的应用尤其具有影响力。Murnane解释说："将可见激光束结构化（或改变其形状）为甜甜圈和其他形状的能力彻底改变了可见光超分辨率显微镜技术。现在，我们有了将这些强大功能应用到更短波长的途径，这非常令人兴奋"。雕刻涡形高次谐波束为了在台式装置中产生类似激光的短波长光束，JILA小组使用了一种称为高次谐波发生（HHG）的过程。当超高速激光脉冲击中一个原子时，高次谐波发生器会将一个电子拉走，然后将其驱回母体原子重新结合。原子在接触时，会将电子的动能转化为极紫外（EUV）光。如果数以百万计的原子都同步发出极紫外光，那么这些光波就会产生类似激光的明亮极紫外光束。为了给重复图案成像，JILA的研究人员需要找到一种改变HHG光束的方法，这样当EUV光束在样品上扫描时，散射光就会发生变化。为了达到这一效果，研究人员将HHG光束从圆盘状转变为涡旋状或甜甜圈状，这就是所谓的轨道角动量（OAM）光束。这种不同的形状对于实现周期性样品的无透镜成像至关重要。当科学家们用漩涡状的HHG光束照射显微镜时（见附图），会产生更复杂的散射图案，这些图案会随着样品的扫描而变化。这些变化编码了样品重复图案的信息，使算法能够提取精确的图像。除了这一令人兴奋的结果之外，与扫描电子显微镜相比，这种新型涡流束无透镜成像技术对脆弱样品的损伤也更小。由于许多软性材料、塑料和生物样本都很脆弱，因此有一种精确而温和的方法来对它们进行成像是非常关键的。此外，涡流束无透镜成像比扫描电子显微镜更能检测出纳米图案中的缺陷，因为扫描电子显微镜往往会融化脆弱的样品。对于为下一代纳米、能源、光子和量子设备制造图案化材料的科学家来说，这一进步能够在不破坏高周期结构的情况下对其进行高分辨率成像。正如Kapteyn所说："未来，这也有可能以高空间分辨率对微妙的活细胞进行成像"。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424145.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424145.htm

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科学家研制出改进型中红外显微镜清晰度提高30倍这幅插图左上方是用中红外线照射的细菌，下方显微镜发出的可见光帮助捕捉图像。细菌内部的化学图像比传统的中红外显微镜清晰30倍。图片来源：2024Ideguchi等人/《自然-光子学》（NaturePhotonics）研究人员说，这一最新进展产生了120纳米的图像，比典型的中红外显微镜的分辨率提高了30倍。能够在更小的范围内更清晰地观察样本，有助于多个领域的研究，包括传染病研究，并为未来开发更精确的中红外成像技术开辟了道路。微观领域是病毒、蛋白质和分子的栖息地。借助现代显微镜，我们可以大胆地观察自己细胞的内部结构。但即使是这些令人印象深刻的工具也有其局限性。例如，超分辨率荧光显微镜需要用荧光标记标本。这有时会对样本产生毒性，而且在观察时长时间暴露在光线下会漂白样本，这意味着它们不再有用。电子显微镜也能提供令人印象深刻的细节，但样本必须置于真空中，因此无法研究活体样本。相比之下，中红外显微镜可以提供活细胞的化学和结构信息，而无需对细胞进行着色或破坏。然而，由于中红外显微镜的分辨率相对较低，它在生物研究中的应用受到了限制。超分辨荧光显微镜可以将图像缩小到数十纳米（1纳米为一毫米的百万分之一），而中红外显微镜通常只能达到3微米左右（1微米为一毫米的千分之一）。然而，东京大学的研究人员在一项新的突破中，实现了比以往更高的中红外显微镜分辨率。"我们的空间分辨率达到了120纳米，即0.12微米。"东京大学光子科学与技术研究所的TakuroIdeguchi教授解释说："这一惊人的分辨率大约是传统中红外显微镜分辨率的30倍。"研究小组使用了"合成孔径"技术，该技术结合了从不同照明角度拍摄的多幅图像，以生成更清晰的整体图像。通常情况下，样品被夹在两个透镜之间。然而，透镜会无意中吸收部分中红外光。为了解决这个问题，研究人员将细菌样本（使用了大肠杆菌和RhodococcusjostiiRHA1）放在硅板上，硅板可以反射可见光并透过红外线。这样，研究人员就可以使用单透镜，用中红外光更好地照射样品，获得更详细的图像。"我们对能够如此清晰地观察细菌的胞内结构感到惊讶。我们显微镜的高空间分辨率可以让我们研究抗菌药耐药性等世界性问题，"Ideguchi说。"我们相信，我们可以从多个方向继续改进这项技术。如果我们使用更好的透镜和更短的可见光波长，空间分辨率甚至可以低于100纳米。有了更高的清晰度，我们希望研究各种细胞样本，以解决基础和应用生物医学问题。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428501.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428501.htm

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