單分子顯微影像技術再升級 窺見生命的深層奧妙

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過去,科學界不斷努力向「微觀」世界探索,研發更新、測量尺度更精細的儀器。而今年六月,史丹佛大學的研究團隊在分子顯微影像技術上有了新的突破,讓 DNA 內的小分子結構與動態都能在奈米級的尺度裡「一覽無遺」。

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單一分子顯微技術誕生

十七世紀光學顯微鏡問世,帶領科學界進入微生物的殿堂,但由於阿貝繞射極限 (Abbe diffraction limit),使光學顯微鏡的解析度僅能達到光波長的一半,約 0.2 微米 (µm),即 200 奈米 (nm)。而且也只能針對整體細胞做觀察,難以縮小到個別分子。到了二十世紀電子顯微鏡的發明,讓解析度可達到 0.2 奈米,但卻必須在真空的狀態下進行。後來,威廉・莫納 (William E. Moerner)、艾瑞克・貝齊格 (Eric Betzig)、史蒂芬・海爾 (Stefan W. Hell) 三人共同發明超解析度螢光顯微技術 (super-resolved fluorescence microscopy),運用單一螢光分子的特性克服光學顯微鏡的物理限制,也擺脫電子顯微鏡無法觀察活體樣本的缺點,獲得 2014 年諾貝爾化學獎。

雖然單分子顯微影像技術能透過染色的螢光分子來觀察 DNA 鏈,但直到現在,還是很難知道這些分子的移動模式以及染劑附著在 DNA 上的牢固程度,而這些都會影響觀測 DNA 分子結構的品質。因此,史丹佛大學的研究人員從單分子顯微影像技術 (single-molecule microscopy) 作延伸,使科學家得以觀察到奈米等級的 DNA 分子結構。

那些藏在細胞分子間的暗號

由威廉・莫納 (William E. Moerner) 帶領的史丹佛大學研究團隊,將單分子顯微影像技術作改善,結合超高解析度顯微影像技術 (super-resolution microscopy) 和單分子順向性 (single-molecule orientation) 的即時偵測,深度觀察 DNA 分子間的細微互動,研究成果發表於今年六月的《光學》(Opitca) 雜誌。由於 DNA 鹼基可控制小分子的移動,所以從小分子的位移資訊就可推測 DNA 鹼基的局部構造。莫納博士表示這項新技術可以幫助我們觀察到這些小分子是要向左旋轉,還是向右旋轉,「如果沒有這些旋轉、位移的訊息,我們看到的成像就會只是一個點。」莫納博士表示。

研究團隊在單分子顯微影像技術裡,讓螢光染劑附著於 DNA 的分子上,以觀察這些小分子的方位和移動模式 。其中一位研究人員 Adam S. Backer 博士找到取得這些小分子的移動方向與旋轉動力的簡易方法,讓研究人員得以觀察這些螢光小分子是如何排列組合成 DNA 結構,並透過測量這些螢光分子的移動與旋轉程度,來深入了解它們「卡位」的過程。

這項新技術比起過去「取整體分子方位的平均值」的方法,更能提供精確的訊息,也比一次只能分析單一分子的共軛焦顯微鏡 (confocal microscopy) 來得有效率,甚至連亮度較低的分子也能掌握其中。對於觀測 DNA 整體的構型變化,或針對特定區域(即染色分子)的方位變化,甚至是現今當紅的體學 (oimcs) 研究,有了這項新技術的輔助,將能更深入探索 DNA 與蛋白質的小分子之間的微小變化,並有望解開疾病的致病機制。

 

參考文獻:
1. Adam S. Backer, Maurice Y. Lee, and W. E. Moerner . Enhanced DNA imaging using super-resolution microscopy and simultaneous single-molecule orientation measurements (2016) Optica , doi: 10.1364/OPTICA.3.000659
2. 螢光顯微鏡在生物學上的應用:http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=912
4. 光學顯微鏡如何變成奈米顯微鏡:
http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=58567
5. https://www.genomeweb.com/genetic-research/new-dna-imaging-technique-boasts-nanoscale-resolution
6. http://www.genengnews.com/gen-news-highlights/new-imaging-technique-can-espy-dna-s-secret-handshakes/81252852/

 

本文授權轉載自:
基因領域最專業媒體團隊-基因線上GENEONLINE

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