- 研究小組正在開發(fā)納米級力傳感器，并改進高精度顯微鏡技術
- 來源：互聯(lián)網 發(fā)表于 2023/8/29
細胞內力傳感器的作用原理為左。熒光蛋白(黃色和青色)來自水母，而橡皮筋部分(黑色)利用了蜘蛛網蛋白。靶蛋白結合抗體(深棕色)來源于羊駝。右圖是超分辨率顯微鏡和常規(guī)顯微鏡對細胞核成像的比較。資料來源:坦佩雷大學Teemu Ihalainen
在許多情況下，細胞在運動中非常活躍，就像發(fā)電機一樣。細胞產生物理力的能力是身體的基本功能之一。例如，當跑步時，細胞中產生的力量使肌肉收縮，呼吸工作。過去開發(fā)的力傳感器甚至可以測量單個蛋白質所承受的力，但以前細胞內的力和機械應變是無法測量的。
坦佩雷大學的細胞生物學研究人員與俄亥俄州立大學的科學家一起開發(fā)了一種力傳感器，可以附著在機械反應蛋白質的側面，使其能夠感知細胞內蛋白質上的力和張力。
微型傳感器的開發(fā)始于2019年12月的一次會議旅行。
“功率傳感部分就像橡皮筋，拉伸時可以改變顏色。該部分附著在橡皮筋兩端的抗體上，與所研究的細胞靶蛋白結合。坦佩雷大學生物科技研究員Teemu Ihalainen說:“然后，通過跟蹤橡皮筋的伸長，可以在顯微鏡下檢測所研究蛋白質的力或伸長。”
根據Ihalainen的說法，這種只有20納米大小的力傳感器可以很容易地推廣到廣泛的細胞生物學研究和各種靶蛋白。在蛋白質生物傳感器的幫助下，可以測量核膜中的力，不同蛋白質之間的力，或者通常在細胞的細胞骨架中。它允許細胞的機制第一次轉化為可見的形式。
日本、印度、挪威和美國的許多實驗室已經對這項技術產生了較大的興趣。
細胞的內力提供了癌癥機制的信息
無論是在正常的身體機能中還是在疾病中，細胞總是受到外力的影響。
例如，當癌細胞生長和移動時，細胞受到機械力的作用。當癌細胞擴散時，例如，當它進入血液或淋巴管時，癌細胞需要通過其微環(huán)境中的狹窄間隙。因此，癌細胞受到強大的壓縮和拉伸力，可以分解一些細胞。細胞核的損傷會改變其基因組結構，在某些情況下，這甚至可能有利于癌癥的發(fā)展。
“在傳感器的幫助下，癌癥的機制和相關過程可以從一個全新的角度進行監(jiān)測，”Ihalainen提到。
這項研究發(fā)表在《自然通訊》雜志上。
熒光標記的細胞核，用共聚焦顯微鏡成像。圖像尺寸約為0.03 mm × 0.02 mm。圖片來源:Teemu Ihalainen
即使是小的細節(jié)也可以用超分辨率顯微鏡看到
近期的另一項研究通過結合細胞生物學和信號處理專業(yè)知識來改進擴增顯微鏡。除了細胞生物學研究人員外，坦佩雷大學工程與自然科學學院的成像專家以及Jyväskylä大學的病毒學家也參與了這項研究。
光學顯微鏡的分辨率是有限的，因為樣品中的小結構的細節(jié)是模糊的，由于透鏡-光相互作用。然而，不同的超分辨率顯微鏡技術允許分離非常小的細節(jié)。其中一種技術是所謂的擴展顯微鏡，其原理是物理放大物體，例如細胞，從而觀察其內部的微小物體。在實踐中，將樣品澆鑄在軟凝膠中，軟凝膠可以膨脹四倍或更多，并且還可以放大樣品的所有細節(jié)。
“然而，問題是，細胞的細節(jié)越小，可見的分子就越少。這意味著從樣本中獲得的信號較少，即信息較少，而且通常會有很多噪音，有點像電視屏幕上的雪，”伊哈拉寧說。
研究小組發(fā)現(xiàn)，解決這個問題的方法可以是對細胞進行重復熒光標記。他們產生了多次標記目標蛋白質的想法，使它們看起來更亮，提供更多的信息。
“在實踐中，我們所做的是將更多的熒光分子泵入目標蛋白質，就像我們添加反射器一樣。該方法簡便易行，大大提高了圖像的分辨率和對比度。噪聲也被從圖像中計算去除，這進一步提高了圖像的清晰度，”他提到。
與許多超分辨率顯微鏡技術不同，膨脹顯微鏡不需要昂貴的儀器，而且易于實施。研究人員開發(fā)的這項技術對于研究非常小的細節(jié)特別有用。例如，現(xiàn)在甚至可以用光學顯微鏡觀察120納米皰疹病毒的結構。在傳統(tǒng)的光學顯微鏡下，病毒只能以單個點的形式可見。
該研究“迭代免疫染色結合擴增顯微鏡和圖像處理揭示核層的納米級網絡組織”發(fā)表在《細胞分子生物學》雜志上。
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