超分辨率显微技术应用

细胞生物学

以纳米级分辨率收集特定的定量数据

探索提高生物显微镜分辨率的方法

分析细胞结构及其组织对于理解任何细胞类型的功能都是至关重要的。然而,由于光学衍射极限为~200-300 nm,传统光学显微镜无法观察到许多亚细胞结构。

单分子定位显微镜(SMLM) -当使用先进的显微镜技术时,一种高效、直接的过程解决了这个问题,使研究人员能够探索与细胞功能相关的结构,组织,相互作用和化学计量学的新细胞生物学前沿。

细胞生物学成像显微技术“,

许多有趣的细胞结构都小于~200-300 nm的光学衍射极限。这些包括大多数细胞器和所有大分子机器、通道和受体的亚结构。雷竞技怎么下载

询问和回答关于这些和其他结构的分子组织、相互作用和化学计量学的问题需要在低于光衍射雷竞技怎么下载极限的分辨率下对标记结构成像。

细胞生物学中的常规显微镜技术“,

传统的光学显微镜方法,如广角和共聚焦显微镜,可以成像和识别特定标记的细胞结构。然而,它们在成像低于光学衍射极限的能力方面受到限制。另外,电子显微镜(EM)可以实现0.1-0.2 nm的横向分辨率,但细胞内分子的具体标记或定量测量非常具有挑战性。

细胞生物学的超分辨率荧光显微镜

超分辨率显微镜支持对特定标记的细胞结构的高分辨率成像——横向成像低至20纳米,沿光轴成像低至50纳米。因此,它弥合了传统光学和电子显微镜(EM)技术之间的差距。

用常规荧光显微镜成像的线粒体(左)vs. SMLM超分辨率显微镜成像(右)|数据由Bruker提供
用常规荧光显微镜成像的线粒体(左)vs. SMLM超分辨率显微镜成像(右)|数据由Bruker提供

右图:用Alexa 647染色TOM20的线粒体,用SMLM (dSTORM)成像。

SMLM:参见纳米尺度的生物学细节


高分辨率(20 nm横向)与成像特异性标记结构的能力使SMLM成为细胞生物学研究中的强大解决方案。SMLM的发现包括HeLa细胞染色质结构域的局部运动的可视化,爪蟾卵母细胞核孔复合体的八倍对称和向心蛋白CEP164的径向九倍对称,以及内质网内连接管状结构的组织[1、2].

适合SMLM研究的纳米级细胞结构示例

超分辨率显微镜支持对特定标记的细胞结构的高分辨率成像——横向成像低至20纳米,沿光轴成像低至50纳米。因此,它弥合了传统光学和电子显微镜(EM)技术之间的差距。

在决定SMLM是否是正确的解决方案时,必须考虑可视化感兴趣的结构所需的分辨率。给出了适用于SMLM成像的衍射受限结构尺寸的一些例子。例子*包括(但不限于):

  • 核孔络合物扩散通道(长度40-50nm)
  • 线粒体中的类核(直径~100 nm)
  • 微管(24纳米厚)
  • 核糖体(直径~20-30 nm)
  • 细菌热休克蛋白DegP(直径20 nm)
  • 叶绿体中呈圆柱形的类芘小管(直径107±26 nm)
  • 小鼠细胞内吞凹(直径86±2.4nm)
  • 大鼠肝线粒体嵴管状段(直径30 ~ 40 nm)
  • 质膜小泡(直径50-100 nm)
  • 细菌鞭毛钩状(约55纳米长)

*纳米级子结构及其尺寸的示例来自“有用生物数字数据库”。链接:https://bionumbers.hms.harvard.edu/search.aspx

在超分辨率显微镜方法中,单分子定位显微镜(SMLM)可以说是最适合细胞生物学研究的。

具体地说,当研究问题需要时,SMLM是研究细胞内特定纳米级结构的最佳方法:

  • 显示距离20纳米的分子;
  • 多种特定分子结构的标记;雷竞技怎么下载或
  • 这种规模的定量数据收集。

SMLM在细胞生物学中的应用

SMLM已经被用于回答细胞生物学中以前未探索的问题。SMLM非常适合在3D和高分辨率下对多个特定结构进行成像,以及量化数据。请参阅下面的示例数据和描述,以了解更多关于可以用SMLM独特实现的研究应用:

雷竞技怎么下载分子量化

利用Bruker's Vutara VXL的顶帽照明功能,整个视场被均匀地照亮,从而在整个感兴趣的区域获得均匀而可靠的数据。SMLM不仅获得了统一的图像,而且每个定位数据点都包含可用于定量分析的统计信息。有了这项技术,分子的绝对定量成为可能。相对量化也是可能的。

例如,间隙连接蛋白connexin43和电压门控钠通道Nav1.5)都位于插入盘中;然而,SMLM发现Cx43和Nav1.5的表达量并不相等,也没有形成相似数量的簇[3.].

雷竞技怎么下载分子分布

全场照明也是分析样品内分子分布的关键。雷竞技怎么下载照亮整个视野的能力,以及与每个定位相关的统计信息的获取,支持在整个样品中分子分布的无偏倚和定量分析。作为分子分布分析的一个例子,SML雷竞技怎么下载M允许将ParB DNA结合蛋白定位到细胞极点的ParA atp酶的分布可视化,以协调染色体分离和细胞分裂[1].

Colocalization

SMLM解决了无法对彼此相距200纳米内的分子成像的问题。使用SMLM,可以在~ 20nm或更低的分辨率下成像,支持在此距离内共定位的分子的精确成像。例如,在SMLM中,人们发现虽然connexin43和Nav1.5之间存在密切的联系,但不到20%的connexin43簇和只有10%的Nav1.5簇直接相互重叠,而且在它们确实重叠的地方,重叠是最小的——这表明簇是切向重叠的,而不是代表两个蛋白质的完全共定位种群[3.].

样本图像和视频

运动模型和粒子跟踪

有了SMLM,细胞内分子的运动可以实时成像,具有高空间分辨率。用SMLM在细菌细胞中进行单粒子跟踪的一个成功例子表明,肌动蛋白同源物MreB在细胞壁合成的驱动下,在细菌细胞周围以圆周模式移动[4].

右图:两个监测线粒体动态的实验,用(1)橙色HaloTag®染料(549)和(2)光活化远红染料(PA-JF-646®)标记。

数据由Bruker提供

固定样品成像

用Alexa 647标记的固定微管的VXL - dSTORM图像上获得的微管,使用第一/第二抗体标记。

活细胞成像

在VXL上获得-用Alexa 647转铁蛋白标记的活BSC1细胞成像。

单分子定位显微镜的完整解决方案

Bruker的Vutara VXL具有一流的易用性和成像深度。支持细胞生物学研究人员需求的主要功能包括:

  • 自动化的工作流程:SRX软件可以很容易地获得必要的数据集,工作流程允许用户专注于生物学问题,而不是修补复杂的显微镜设置。
  • 卓越的3D成像和样本灵活性:专有的双平面检测提供三维信息,并能够在组织切片内成像。
  • 无限多路复用:集成的微流体单元允许连续标记无限数量的荧光探针。
  • 专家应用程序支持:Vutara VXL用户可以收到针对其研究目标的样本制备优化的个性化指导。

常见问题解答

细胞生物学家有什么超分辨率显微镜解决方案?

Bruker的Vutara VXL非常适合需要(1)高分辨率,(2)3D可视化和/或(3)分子特异性靶向的细胞生物学研究需求,适用于从单细胞到高达50微米厚的组织样本。

Vutara VXL、微流体和SRX软件的工作流程和使用都是精简的,Bruker科学家可以为Vutara VXL用户提供从样品制备到数据分析的个性化支持。

SMLM如何在细胞内成像结构?

SMLM通过高精度定位单个闪烁染料分子实现超分辨率。衍射限制光学显微镜无法在小于300的距离内区分两个染料分子,因为它们的点扩散函数重叠太多。在SMLM中,两个染料分子中只有一个是活性的,而另一个是黑色的。现在,我们可以高精度地确定这个分子的位置。过了一段时间,活性染料变暗,以前的深色染料变得有活性。现在我们可以高精度地确定第二个分子的位置。染料的开关可以主动发生(例如PALM中的光激活荧光蛋白)或自发发生(例如dSTORM中的Alexa Fluor 647)。

用单分子成像技术对哪些生物样本进行了成像?

广泛的样品类型可以成像与SMLM。固定样品和活样品都可以用SMLM成像,尽管固定样品成像更常见。使用Vutara VXL,人们可以成像各种样品类型,从细胞培养和组织切片,整个生物体,如果蝇幼虫和秀丽隐杆线虫,以及厚达100微米的水凝胶。

有可能用SMLM成像组织深处吗?

使用Vutara VXL的双平面技术,人们可以在水凝胶覆盖层上成像高达100微米的图像,对厚样本(如组织切片甚至整个生物体)成像高达50微米。组织清理可能需要厚样本的组织或整个生物的最佳成像。

单分子成像有多难?

虽然SMLM是一种新的和先进的成像方法,样品制备和成像协议是很好的理解和记录。布鲁克应用专家可以帮助用户选择适当的标记策略和成像设置。

为SMLM准备活样品的过程是什么?

虽然不如固定样本成像常见,但活体样本成像可以用SMLM进行。查看本次网络研讨会,讨论用于成像的活体样品的制备。有关活细胞成像技术和最佳实践的更多信息,请参阅“参考资料和参考资料”[3,4].

参考文献