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陈兴课题组开发基于点击化学的膨胀显微成像技术

 

2020127日,北京大学化学与分子工程学院北大-清华生命科学联合中心陈兴课题组《自然-方法》Nature Methods杂志在线发表了题为“Click-ExM enables expansion microscopy for all biomolecules”的研究论文,报道了基于点击化学的膨胀显微成像技术Click-ExM,提供了一种通用、便捷的策略对各种生物分子进行超分辨荧光成像

 

工欲善其事,必先利其器。探寻生命奥秘,首先需要得足够清楚。然而由于光学衍射极限的限制,常规的荧光显微镜难以对精细的亚细胞结构进行分辨。超分辨荧光成像技术,使人们能够看清在200 nm以内的生物分子。不过这些技术通常依赖于昂贵的仪器和精密的算法,而且在组织样品中的成像性能一般。

 

膨胀显微成像技术Expansion microscopyExM则从样品制备入手,绕过了光学衍射极限,实现了让超分辨荧光成像“飞入寻常百姓家”。整个流程中首先丙烯酸盐充满整个生物样品内部,并使其聚合形成凝胶凝胶吸水膨胀后,原本临近生物分子被拉远但相对位置保持不变。因此利用常规的荧光显微镜对膨胀后的样品进行成像,同样可实现超分辨的成像效果。然而目前ExM技术缺乏一种普适性的在凝胶中锚定生物分子的策略,因此应用范围局限于蛋白质核酸无法对脂质、聚糖以及小分子等生物分子进行成像。

 

Click-ExM的工作流程(以炔基标记的生物分子为例)

 

Click-ExM的设计理念是利用带有生物正交官能团(如叠氮、炔基等)化学探针对细胞进行代谢标记,通过点击化学连接上生物素,再基于生物素与链霉亲和素相互作用,最终将被标记的生物分子转变为偶连荧光分子的链霉亲和素。偶连荧光分子的链霉亲和素在其中起到了三方面作用:识别生物分子、报告荧光信号、锚定到凝胶中。

 

作者采用了多种含有生物正交官能团化学针,对脂质、糖、蛋白质、核酸、分子等多种生物分子进行Click-ExM成像,并将该技术应用于原代细胞组织切片等生物体系中其中首次实现了对多种脂质、糖以及小分子的ExM成像。同时,由于Click-ExM技术传统ExM流程兼容,因此可与多种现有的标记方法相结合,实现多色荧光成像。此外,由于样品膨胀会稀释荧光分子浓度,利用链霉亲和素的多价相互作用,开发出信号放大策略,有助于成像低丰度的生物分子。值得一提的是,Click-ExM技术中步均为模块化设计,且大部分化学试剂可商业化购买,不需要繁琐的化学合成和步骤优化因此有希望被广泛应用于后续的生物学研究

 

总之,该工作利用前沿的化学生物学手段建立了一种通用型的ExM技术:Click-ExM拓展了在超分辨荧光成像领域中的应用。

 

陈兴教授为该研究论文的通讯作者,北化学与分子工程学2016级博士研究生孙德恩为第一作者。该工作中的部分化学探针、细胞和组织样品制备分别在北京大学雷晓光、王世强饶毅教授课题组进行研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京分子科学国家研究中心、北大-清华生命科学联合中心的资助。

 

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41592-020-01005-2

 

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