照亮活细胞中的分子芭蕾

京都大学、冲绳科技大学研究生院 (OIST) 和 Photron Limited 的研究人员开发了世界上最快的能够检测单分子荧光的相机。他们在同一期《细胞生物学杂志》上发表的两篇文章中描述了这项技术及其强大功能的示例。

“我们使用这款相机的工作将帮助科学家了解癌症如何扩散，并帮助开发治疗癌症的新药，”综合细胞材料科学研究所 (iCeMS) 的生物成像专家 Takahiro Fujiwara 说。

单荧光分子成像 (SFMI) 使用荧光分子作为报告标签，可以与细胞中感兴趣的分子结合并揭示它们的位置以及它们如何移动和相互结合。该团队的超高速相机实现了 SFMI 有史以来最高分辨率。它可以检测比正常视频帧速率快 1,000 倍的单分子运动。具体来说，它可以每 33 微秒检测一次带有荧光标记的分子，位置精度为 34 纳米，或者每 100 微秒检测一次，精度为 20 纳米。

“我们现在可以观察单个分子如何在活细胞内跳舞，就像我们在剧院观看芭蕾舞表演一样，”藤原说。他强调，以前的 SFMI 技术就像每 30 秒看一次芭蕾舞，所以观众不得不从如此稀疏的观察中猜测故事。这是极其困难的，而且猜测往往是完全错误的。

此外，该团队开发的超快相机极大地提高了先前超空间分辨率方法的时间分辨率，该方法获得了 2014 年诺贝尔化学奖。在这种较早的方法中，单个分子的位置被记录为小点大约 20 纳米，形成像乔治·修拉领导的新印象派的点彩画那样的图像。然而，显微镜下的点画法一直存在成像速度极慢的问题，往往需要10分钟以上才能获得单幅图像，因此标本必须是化学固定的死细胞。使用开发的超快相机，图像可以在 10 秒内形成，快约 60 倍，可以观察活细胞。

该团队通过检查与癌症有关的受体蛋白的定位和运动以及称为粘着斑的细胞结构，进一步证明了他们相机的强大功能。粘着斑是蛋白质分子的复合物，它将细胞内的结构蛋白束与细胞外称为细胞外基质的物质连接起来。它可以在细胞与其环境的机械相互作用中发挥重要作用，从而使癌细胞移动和转移。

“在一项研究中，我们发现一种与信号分子结合的促癌受体在被激活时会在特定的细胞区室中被限制更长的时间。另一方面，我们揭示了与癌细胞活动有关的粘着斑内的超精细结构和分子运动，”通讯作者、OIST 教授和京都大学名誉教授 Akihiro Kusumi 说。结果使团队能够提出一个改进的粘着斑结构和活动模型。

世界各地的许多研究团队都对开发能够干扰粘着斑在癌症中的作用的药物感兴趣。该团队与相机制造商 Photron Limited 的 Takeuchi 先生合作开发的超快相机将通过更深入地了解这些结构如何移动以及如何与细胞内外的其他结构相互作用来协助这些努力。

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