活細胞超解析度顯微技術研究獲進展

2016年12月31日，中國科學院生物物理研究所徐平勇課題組、中國科學院計算技術研究所張法課題組以及美國科學院院士HHMI研究員Jennifer Lippincott-Schwartz合作在《細胞研究》（Cell Research）在線發表了題為Live-cell single molecule-guided Bayesian localization super-resolution microscopy 的文章，介紹了一種新型活細胞超解析度顯微技術及其獨特優勢。

超解析度熒光顯微技術由於打破了傳統光學衍射的限制，使得人們能夠更深入地理解細胞生物學，獲得了2014年諾貝爾化學獎。但是由於設備和時空解析度的影響，活細胞超解析度技術仍面臨諸多挑戰。近年來，貝葉斯定位顯微技術(Bayesian analysis of the blinking and bleaching，3B)利用熒光蛋白漂白和閃爍的特性，通過分析整個圖像序列的變化得到熒光蛋白的概率分布圖，該方法用簡單的光學設備就能實現活細胞動態結構的超解析度成像，成為活細胞超解析度成像的重要工具之一。作為細胞成像新的重要工具，它仍然有三個關鍵的問題沒有解決：1）在精度方面，存在嚴重的結構缺失，定位精度不高；2）在速度方面，該方法極其耗時，為了得到1.5μm的超解析度結構，大約需要6小時，並且隨著圖像尺寸的增加，計算時間急劇增長；3）在分析尺度方面，由於速度的限制，該方法很難獲得全細胞大尺度長時間的動態變化。針對以上問題，實驗人員通過將單分子定位和貝葉斯技術相結合，開發了一種新型活細胞超解析度顯微技術（single molecule guided Bayesian localization microscopy，SIMBA），該技術有以下優點：1）適用範圍廣，不需要任何額外的硬體設備，就能與主流TIRFM、PALM、STROM和light-sheet顯微鏡相結合，便於推廣和使用；2）時空解析度高，減少了結構偽跡的同時實現了50nm的空間解析度和0.5-2s的時間解析度；3）運行速度快，相比3B，加速比超過100倍，並且隨著圖像尺度的增大，加速效果更加明顯；4）分析尺度大，實現了全細胞大尺度長時間動態變化分析。

活細胞超解析度顯微技術是當前研究的熱點，開發新型活細胞超解析度成像探針和新方法是中科院生物物理所徐平勇課題組的重要研究方向。徐平勇、張法、Jennifer Lippincott-Schwartz為本文的通訊作者；徐帆、張名姝為共同第一作者。該工作受到國家「973」計劃 、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、中科院基金先導項目等的資助，並申請專利「一種貝葉斯顯微成像方法」。

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SIMBA對於固定細胞actin和活細胞CLC重構結果展示