Nature：量子显微镜与定位原子力显微术横空出世！前沿显微技术大盘点

1665 年，英国科学家罗伯特·胡克（Robert Hooke）发表了他的著作《显微学》，开启了人类通往微观世界的大门。在这本著作中，胡克用显微镜进行了大量的观察，并将他所观察到的那些生命最基础的结构命名为细胞（Cell）。

在之后的三个世纪中，人们对胡克所发现的新世界愈发好奇，也在光学显微镜的基础上设计了各种各样更加先进的显微镜。这些先进的显微镜先后于 1953 年，1986 年，2014 年与 2017 年获得了四次诺贝尔物理学或化学奖。

于 2017 年获得诺奖的冷冻电镜，也成为了现在结构生物学研究中最重要的研究工具之一。

更加令人欣喜的是，我们的显微技术还在高速发展着。

近日， Nature 连续推出了两种划时代的显微技术，量子显微镜技术也再获突破！

定位原子力显微镜（LAFM）

2021 年 6 月 16 日，来自美国纽约威尔康奈尔医学院的 Simon Scheuring 教授带领团队在 Nature 发表论文，报道了他们所开发的一种新型显微技术，文章的标题就正是该显微技术的名称：Localization atomic force microscopy「定位原子力显微术（LAFM）」[1]。该研究通过优化算法， 将原子力显微镜（AFM）的分辨率带到一个全新的高度。

对于传统的 AFM 与高速 AFM (HS-AFM)，前者的应用被限制在生物分子的表面分析，而后者只能算是一个优秀的蛋白质构象研究工具。受限于 AFM 探针的大小以及生物大分子的「弹性结构」，这两种工具的分辨率在 x、y 方向上只能达到 1nm，并不能给出更精细的生物大分子结构。

研究团队受到了 2014 年获得诺奖的超分辨率荧光显微技术启发，将其中的「定位」技术运用到了 AFM 与 HS-AFM 中，成功将分辨率提高到了埃米级。对 AqpZ 与 A5 两个蛋白的成像达到了 4 到 5Å 的级别，AqpZ 分析中的一些信号更是达到了惊人的 2Å。

与此同时，研究团队使用 LAFM 对处在天然状态下的一种蛋白 CLC-ec1 进行了分析，也得到了不俗的分辨率，证明了该技术在非晶体蛋白研究中的巨大潜力。

量子显微镜

如果问这几年最火的科学概念是什么，「量子力学」绝对是一个绕不开的话题。不少人对量子科技在显微镜中的应用也充满了期待。

无独有偶，就在 LAFM 问世的一周前，关于量子显微镜的研究同样刊登在了 Nature 上。

2021 年 6 月 9 日，来自澳大利亚昆士兰大学的 Warwick P. Bowen 教授带领团队在 Nature 上发表了题为：Quantum-enhanced nonlinear microscopy 的论文 [2]， 报道了他们如何利用量子相关性增强非线性显微镜的成像。

传统的光学显微镜由于受限于光随机性，往往会在检测光子的时候引入大量的噪音，这极大的限制了光学显微镜的灵敏度、分辨率与速度。尽管提高光强度能有效的改善这个缺陷，可很多生物分子在强光下会受到影响，限制了光学显微镜在生命科学中的应用。因此，如何在不增加光强度的情况下降低光随机性带来的影响，成为了本文作者想要解决的问题。

利用量子光子相光性，研究人员将他们的相光拉曼显微镜对细胞中分子键观测的信噪比改善了 35%，同时提高了 14% 的浓度灵敏度。而实现这些完全不需要将光强度提高到会造成光损害的级别。

虽然改善的百分比并不太高，但该研究表明量子技术在显微学中可能具有的巨大潜力。

线照明调制显微术（LiMo）

除了国际上的突破，我国科学家近年来在显微领域也颇有建树。

2021 年 3 月 2 日，华中科技大学骆清铭院士团队在 Nature 子刊 Nature Methods 上发表了题为：High-definition imaging using line-illumination modulation microscopy 的研究论文 [3]，报道了他们使用线照明调制显微术在较厚的样本上实验了高通量、低背景的成像，同时具备极高的分辨率。

比起冷冻电镜与 LAFM 想探究生物分子的精细结构，骆清铭院士团队在这项研究中的目的是利用显微镜观测复杂的神经元结构。

基于 LiMO 开发的高清荧光显微光学切片断层成像技术（High-definition fluorescent micro-optical sectioning tomography, HD-fMOST），更是实现了小鼠全脑数据的分析与处理，同时给出了极高质量的全脑尺度单细胞连接图谱。该技术毫无疑问为脑科研究，提供了又一强大的工具。

分子级轴向定位技术

同样是基于获得诺奖的超分辨率荧光显微技术，中国科学院生物物理研究所徐涛院士团队与纪伟团队曾经开发出了一种名为重复光学选择性曝光（Repetitive Optical Selective Exposure，ROSE）的方法，将荧光显微镜的分辨率提升到了 3nm 以内，单分子定位精度更是接近 1 nm。这项研究在 2019 年以：Molecular resolution imaging by repetitive optical selective exposure 为题发表在了 Nature Methods 期刊 [4]。

在这项研究中，ROSE 主要运用在 x, y 侧向分辨率的提升，在 z 方向，也就是轴向的应用却没得到足够的开发。

2021 年 4 月 1 日，徐涛院士团队与纪伟团队在 Nature Methods 发表了题为：Molecular-scale axial localization by repetitive optical selective exposure 的论文 [5]。 引入非对称干涉光路开发了 ROSE-Z 方法，极大提升了此前方法在轴向的分辨率。

得益于两篇文章中的进步，研究人团使用该方法对单分子在三个维度上都得到了前所未有的分辨率提升。有了如此高的精度，生命科学工作者对细胞内纳米级结构的研究将变得更加可靠与便捷。

2021年5月25日，清华大学脑与认知科学研究院、自动化系戴琼海院士课题组，生命科学学院俞立课题组合作，在 Cell 发表了题为 Iterative tomography with digital adaptive optics permits hour-long intravital observation of 3D subcellular dynamics at millisecond scale 的研究论文 [6]。

该研究开发出了扫描光场显微镜（DAOSLIMIT），实现对活体哺乳动物的亚细胞结构，进行长时间的、三维的、高速高分辨率的显微观测。借助DAOSLIMIT，还实现了对哺乳动物活体环境中迁移体的观测和功能研究。

结语

显微镜学的发展史，就是生命科学的发展史。

自从生命科学进入到分子时代以来，前沿生命科学研究越来越依赖显微技术的发展。更高的精度，更快的速度以及更强的处理能力，是生命科学对显微技术恒久不变的要求。

我们也坚信文中所介绍到的这些尖端显微技术，必将帮助生物学家更好地探索生命的奥秘。

参考文献：

1.Heath, G.R., et al., Localization atomic force microscopy. Nature, 2021. 594(7863): p. 385-390.

2.Casacio, C.A., et al., Quantum-enhanced nonlinear microscopy. Nature, 2021. 594(7862): p. 201-206.

3.Zhong, Q., et al., High-definition imaging using line-illumination modulation microscopy. Nature Methods, 2021. 18(3): p. 309-315.

4.Gu, L., et al., Molecular resolution imaging by repetitive optical selective exposure. Nature Methods, 2019. 16(11): p. 1114-1118.

5.Gu, L., et al., Molecular-scale axial localization by repetitive optical selective exposure. Nature Methods, 2021. 18(4): p. 369-373.

6. Wu J., et al., Iterative tomography with digital adaptive optics permits hour-long intravital observation of 3D subcellular dynamics at millisecond scale. Cell, 184(12), 3318-3332.e17. 

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