看，紅的像火，粉的像霞，白的像雪。一團(tuán)團(tuán)的熒光圖像極了朱自清筆下的《春》。這張圖不是春景確勝似春景，它的到來(lái)預(yù)示著我們即將迎來(lái)“最美醫(yī)藥四月天”。
近日，張鋒所在的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種顛覆傳統(tǒng)的顯微鏡。這個(gè)顯微鏡可不一般！無(wú)需昂貴的光學(xué)設(shè)備，只需相應(yīng)試劑，便可通過(guò)細(xì)胞自身的遺傳物質(zhì)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行“拍攝”生成可視化圖像。該研究成果發(fā)布在《Cell》雜志上。
DOI：https://doi.org/10.1016 / j.cell.2019.05.019
顯微鏡家族的新星
說(shuō)起顯微鏡人們腦海中總會(huì)浮現(xiàn)出他的樣子。16世紀(jì)末第一臺(tái)顯微鏡在荷蘭誕生，此后伽利略用顯微鏡研究昆蟲(chóng)復(fù)眼，由此我們打開(kāi)了微觀世界的大門(mén)。1931年，“電子顯微鏡之父”恩斯特·魯斯卡在生物醫(yī)學(xué)上留下了濃墨重彩的一筆。電子顯微鏡的問(wèn)世為之后一系列的醫(yī)學(xué)成就奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
由于 DNA 中的每個(gè)堿基分子在每個(gè)細(xì)胞內(nèi)存在的數(shù)量十分微小，即便我們直接標(biāo)記也很難直接觀測(cè)到其標(biāo)記信號(hào)。
如今，張鋒教授所在的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出“DNA顯微鏡”，可以在構(gòu)建細(xì)胞圖像的同時(shí)積累大量的基因組信息。
“DNA顯微鏡”突破了傳統(tǒng)顯微鏡依賴分子探針技術(shù)的局限。它與使用光、x 射線和電子來(lái)觀察組織和細(xì)胞內(nèi)部的方式不同，“DNA顯微鏡”采用了堆疊分子的化學(xué)合成法來(lái)顯示細(xì)胞結(jié)構(gòu)。
首先，研究人員將細(xì)胞培養(yǎng)中選定的RNA反轉(zhuǎn)錄為cDNA，然后利用獨(dú)特的核苷酸鏈（UMI）標(biāo)記待研究的分子。UMI會(huì)連接到與其互補(bǔ)的 RNA 分子上，使其具有唯一的標(biāo)簽。
當(dāng)然，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠直接顯示基因組。接下來(lái)，科學(xué)家們采用化學(xué)合成法將化學(xué)物質(zhì)混合在一起。這些化學(xué)物質(zhì)會(huì)對(duì)這些標(biāo)簽進(jìn)行多次復(fù)制。
隨著這些復(fù)制品的增多，它們開(kāi)始偏離原來(lái)的位置。當(dāng)兩個(gè)游離的DNA分子相遇時(shí)，它們連接起來(lái)，形成了一個(gè)獨(dú)特的DNA標(biāo)記。
最后，研究人員將提取并分析細(xì)胞中DNA。然后，用算法推斷出DNA分子的原始位置從而生成圖像。
霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所Joshua A. Weinstein 教授表示：“從某種意義上說(shuō)，最初的DNA分子就像無(wú)線電發(fā)射塔，以DNA分子的形式相互發(fā)送信息。研究人員可以探測(cè)到一座塔何時(shí)與附近的另一座塔通信，并利用塔之間的傳輸模式來(lái)繪制它們的位置。”
震驚的不是技術(shù)而是技術(shù)帶來(lái)的廣闊前景
與之前大家所熟悉的電子顯微鏡、熒光顯微鏡、薄層顯微鏡工作方法不同。DNA顯微鏡只需要樣本和熒光標(biāo)記便可顯示出細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。
張鋒表示：“每個(gè)細(xì)胞都有獨(dú)特的DNA字母或基因型組成，DNA顯微鏡通過(guò)直接從被研究的分子中捕獲信息，開(kāi)辟了一種將基因型與表型聯(lián)系起來(lái)的新方法?！?/p>
傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡（左）和“DNA顯微鏡”（右）捕獲的一組細(xì)胞。來(lái)源：Joshua Weinstein/Broad Institute
更重要的是，DNA顯微鏡與傳統(tǒng)顯微鏡的成像效果不相上下。Weinstein 教授表示：“DNA顯微鏡與傳統(tǒng)顯微鏡是互補(bǔ)的。光學(xué)顯微鏡可以很好地看到分子，即使它們?cè)跇悠分邢∈瑁珼NA 顯微技術(shù)在分子密集時(shí)，甚至在分子堆疊時(shí)，其也擁有十分出色的顯示效果。”
研究人員認(rèn)為，未來(lái)有一天DNA顯微鏡可以讓科學(xué)家加速免疫療法治療的發(fā)展，幫助患者免疫系統(tǒng)對(duì)抗癌癥。DNA顯微鏡或?qū)⒆R(shí)別出潛在的最合適靶向特定癌細(xì)胞的免疫細(xì)胞。
“DNA顯微鏡”相關(guān)專利申請(qǐng)。來(lái)源：USPTO
2014年，張鋒和Weinstein在美國(guó)申請(qǐng)了“通過(guò)高通量測(cè)序繪制生物分子原位空間和細(xì)胞圖譜”（Spatial and cellular mapping of biomolecules in situ by high-throughput sequencing）的專利。Weinstein坦言道：“目前更關(guān)注的是傳播，而不是商業(yè)化，當(dāng)前主要目標(biāo)是探索重要的生物學(xué)領(lǐng)域?！?/p>
End
參考資料：
[1] Researchers use DNA to take pictures of cells
[2] “DNA Microscopy” Offers Entirely New Way to Image Cells
[3] “DNA顯微技術(shù)”誕生！張鋒等人的顛覆性發(fā)現(xiàn)，可直接觀測(cè)基因組
[4] 張鋒《Cell》最新技術(shù)開(kāi)啟新時(shí)代：DNA顯微鏡
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