生活中最小的積木是什么樣子的?分子如何跳舞、飛鏢、飄過細(xì)胞、折疊和融合并形成生物的機(jī)器?對于 2021 年黑星-西蒙斯教職研究員徐柯來說，這些問題是他所做的一切的最前沿。徐想在納米尺度上可視化活細(xì)胞;他想看到在他使之成為可能之前看不見的東西。
許多過程是人類健康和疾病的基礎(chǔ)，其規(guī)模小得不可思議：例如，一串DNA不到一根頭發(fā)寬度的萬分之一。在阿爾茨海默病患者腦細(xì)胞中積累的淀粉樣蛋白以及識別癌癥和病毒的免疫受體僅大幾倍。
(資料圖片)
從歷史上看，顯微鏡已經(jīng)產(chǎn)生了圖像或視頻，告訴您正在查看的內(nèi)容的大小，形狀和布局。加州大學(xué)伯克利分校(UC Berkeley)化學(xué)副教授徐(Xu)認(rèn)為，它可以做得更多。
“我們希望使用成像不僅要了解分子的位置，還要從根本上了解分子如何相互作用以及它們的其他物理性質(zhì)是什么，”徐說。
Xu處于發(fā)明新工具的最前沿，以在單分子和納米尺度上詢問生物和化學(xué)系統(tǒng)的特性，如酸度，電荷以及分子移動(dòng)的速度。這種以前無法通過成像獲得的信息不僅可以為生命的基本生物學(xué)提供新的見解，還可以為研究人員提供如何設(shè)計(jì)藥物來操縱分子的新線索。
從材料科學(xué)到生物學(xué)
徐并不總是研究活細(xì)胞 - 他在加州理工學(xué)院獲得了物理化學(xué)博士學(xué)位，在那里他研究了納米材料的熱電和超導(dǎo)特性。在那里，他了解了尖端的顯微鏡方法，讓科學(xué)家能夠可視化這些新材料最微小的細(xì)節(jié)。
雖然技術(shù)上很有趣，但徐正在探索的東西是死的，一動(dòng)不動(dòng)。Xu想知道新的顯微鏡方法是否可以捕獲動(dòng)態(tài)的移動(dòng)過程。
“這些物理和化學(xué)工具對我們材料科學(xué)家來說非常強(qiáng)大，”徐說。“但它們在生物學(xué)上的應(yīng)用非常有限，我看到了一個(gè)機(jī)會(huì)。
為了更多地了解生物學(xué)家已經(jīng)在做什么，以及他可以在哪些方面有所作為，徐成為哈佛大學(xué)莊曉偉實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員，莊曉偉是一種超分辨率顯微鏡技術(shù)的發(fā)明者，稱為隨機(jī)光學(xué)重建顯微鏡(STORM)。
在STORM之前，如果生物樣品中的兩個(gè)分子彼此接近半個(gè)光波長，則不可能將它們區(qū)分開來。然而，對于STORM，附近分子上的單個(gè)熒光標(biāo)記物會(huì)打開和關(guān)閉;由于不同的標(biāo)記在不同的時(shí)間發(fā)光，因此它們的位置變得可分辨。
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當(dāng)徐在2013年創(chuàng)立他的伯克利實(shí)驗(yàn)室時(shí)，他想超越STORM。他想象捕捉分子的運(yùn)動(dòng)、化學(xué)和電學(xué)特性，并揭示它們?nèi)绾蜗嗷プ饔谩羞@些事情通常需要的不僅僅是顯微鏡來測量。
他們解決的分子的第一個(gè)特性是化學(xué)極性 - 電子以不均勻的方式分布在分子之間。分子的極性會(huì)影響它們的相互作用和行為，包括它們更喜歡溶解在水還是油中。
雖然化學(xué)極性可以批量測量，但同時(shí)“看到”和繪制活細(xì)胞內(nèi)許多分子的極性對徐的團(tuán)隊(duì)來說是一個(gè)巨大的壯舉。2017年，他們展示了基于光譜成像的方法如何檢測細(xì)胞膜之間的極性差異，并且這些差異取決于膜中的膽固醇水平。
“這種技術(shù)對我來說真的很令人興奮，因?yàn)楝F(xiàn)在我們不僅知道細(xì)胞的形狀，還知道細(xì)胞中不同參數(shù)的功能分布，”徐說。
在另一個(gè)項(xiàng)目中，徐和他的同事們希望改進(jìn)方法，以觀察分子在細(xì)胞內(nèi)部擴(kuò)散或自由漂浮時(shí)的運(yùn)動(dòng)。這些分子運(yùn)動(dòng)太小太快，無法用普通顯微鏡方法看到。
“如果你使用普通的典型相機(jī)并試圖記錄分子的運(yùn)動(dòng)，這是沒有希望的，因?yàn)樗鼈円苿?dòng)得太快了，”徐說?！澳闵踔量床坏揭粋€(gè)分子。
2020年，徐的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種閃爍的激光，其作用類似于頻閃燈。激光閃爍的速度比顯微鏡的相機(jī)快門快，提供了更簡短且不那么模糊的分子位置快照。通過以這種方式反復(fù)捕獲圖像，研究人員可以組裝一種分子運(yùn)動(dòng)的定格視頻。
Xu使用這種方法可以顯示分子在500微秒時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，以揭示分子如何在細(xì)胞的不同部位以不同的速度移動(dòng)。
下一步：充電
在整個(gè)活細(xì)胞中，不同的分子具有不同的電荷;有些略帶消極，有些略帶積極。這些差異可以驅(qū)動(dòng)分子如何移動(dòng)、相互作用和相互結(jié)合。Xu的小組現(xiàn)在正在開發(fā)用顯微鏡“看到”不同分子電荷的方法。他說，該方法將使用顯微鏡來測量不同分子如何響應(yīng)電場而移動(dòng)。
這種研究似乎是基本的——徐承認(rèn)其中大部分是由對生物學(xué)和技術(shù)的迷戀驅(qū)動(dòng)的——但它在研究健康和疾病方面也有很多應(yīng)用。例如，跟蹤分子的運(yùn)動(dòng)可以揭示分子如何以及何時(shí)聚集;如果這些分子在疾病中發(fā)揮作用，那么這種聚集對于理解至關(guān)重要。同樣類型的研究也可以描繪出藥物如何在細(xì)胞中移動(dòng)并采取行動(dòng)的畫面。
“運(yùn)動(dòng)是細(xì)胞中許多物理過程的基礎(chǔ)。我們的工具使我們能夠可視化分子之間的相互作用以及分子的各種化學(xué)和物理參數(shù)，“徐說?！爱?dāng)你把所有這些東西結(jié)合起來時(shí)，它真的可以捕捉到細(xì)胞的狀態(tài)。
Xu將他的材料科學(xué)背景歸功于他在如何開發(fā)這些尖端新方法方面的獨(dú)特觀點(diǎn)。他說，他以與大多數(shù)生物學(xué)家不同的方式看待數(shù)據(jù)和光學(xué)。
“我經(jīng)常從物理科學(xué)的角度來處理這些單分子數(shù)據(jù)，”他說?！凹词惯@些是在活細(xì)胞內(nèi)，它們也是根據(jù)物理規(guī)則行事的單個(gè)分子。
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