如何高效捕捉細胞內納米分子的運動 | 前沿

01-28

? 方寧教授和夏天教授團隊在Nat Commun雜誌上發文

撰文 | Kuancai Chen、劉貴

責編 | 葉水送

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

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最近，中美學者開發自動五維單顆粒追蹤新方法，實現金納米棒內吞運輸全過程的取向和旋轉追蹤。

來自喬治亞州立大學方寧教授課題組和華中科技大學夏天教授課題組合作開發的自動五維（三維空間的運動加上兩個方位角）單顆粒追蹤新方法，發表在10月12日的《自然-通訊》雜誌上。

該方法被用於自動追蹤運鐵蛋白（Transferrin）修飾的金納米棒從接觸細胞表面到通過網格蛋白介導的內吞（Clathrin-mediated endocytosis）到細胞內部並被運輸的全過程，並同時精確地獲取金納米探針的取向和旋轉信息。

一個細胞可被視為許多分子馬達（molecular motors）在多層面上協同工作的工廠。充分理解這些納米級的分子機器的工作機制要求我們獲取相關的平移和旋轉動力學知識。然而，關於在活細胞里的旋轉動力學的認知至今仍然非常有限，所以需要通過設計和使用新的工具來拓展實驗，並結合計算機模擬來解釋這些實驗現象。

喬治亞州立大學方寧教授課題組致力於通過發展和使用新型的光譜成像平台來開拓化學和生物學研究的新前沿，為單分子和單納米顆粒實驗提供超衍射極限的空間解析度、高角度解析度、卓越的檢測極限和納米級別的定位精度。貴金屬納米顆粒在化學、生物學和醫學領域正逐漸成為熒光探針的重要替代品。金納米棒由於具有各向異性，表面等離子共振光學特性，很高的吸收和散射截面積，優良的生物相容性和化學穩定性而被廣泛應用於生物成像領域。它們既不會像熒光探針那樣被光漂白，在合理的光照強度下，也不會呈現光飽和。通過調節顆粒的大小和形狀，其表面等離子共振的吸收和散射波長在可見光到近紅外區域內可調，而生物組織在這個區間是相對透明的。

由該課題組開發的，以微分干涉差顯微成像（differential interference contrast microscopy）為基礎的單顆粒取向和旋轉追蹤技術（Single Particle Orientation and Rotational Tracking, SPORT）技術，被廣泛地應用於觀測各向異性金納米棒在化學體系和活細胞內的旋轉運動，並取得了極高的空間、時間與角度的解析度。

此次發表的自動五維單顆粒追蹤法，是對SPORT技術的進一步開發，改進和應用。研究者通過在傳統的微分干涉差顯微成像後焦面加入梯形稜鏡（wedge prism）使一半的光產生偏移並和原始光在同一個相機上產生兩個鏡像圖案的方法形成視差微分干涉差顯微成像（parallax-DIC）。通過對兩個鏡像圖案的關聯繫數的分析計算和其距離差所對應的z軸位置的定位，來精確解析金納米棒在三維空間的位置。

華中科技大學夏天教授課題組基於超高速智能圖像處理技術精確地跟蹤定位單顆粒在空間中的軌跡，該智能方法同時用於精確追蹤金納米棒在細胞上/內的DIC錄像和三維空間位置。另外該智能方法可以通過實時控制高精度壓電物鏡位移器（Objective Scanner）的位置使物鏡一直保持在聚焦位置，從而得到最佳的成像效果以確保高精度的取向和旋轉追蹤。

? 從左到右：視差微分干涉差顯微成像光路原理圖，梯形稜鏡插件三維模型和實物圖，壓電物鏡位移器和梯形稜鏡插件在商業儀器上的使用，活細胞在視差微分干涉差顯微成像圖

研究者將該方法運用於自動追蹤運鐵蛋白修飾的金納米棒和活細胞的相互作用。與常見的其他三維追蹤方法相比，如脫焦成像法等，該技術可以獲得更大的追蹤範圍和更高精度的取向和旋轉的追蹤，因此該技術對研究納米顆粒和生物體系作用過程的單顆粒的定位，取向和旋轉信息具有更大的潛力。

註：本文圖片由作者提供以及來自論文。

參考文獻：

Chen, K.; Gu, Y.; Sun, W.; Bin, D.; Wang, G.; Fan, X.; Xia, T.; Fang, N., Characteristic rotational behaviors of rod-shaped cargo revealed by automated five-dimensional single particle tracking. Nature Communications 2017, 8 (1), 887.

製版編輯：常春藤｜

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