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如何实现光学超分辨(六) 精选

已有 24012 次阅读 2012-6-28 08:45 |个人分类:如何实现光学超分辨|系统分类:科研笔记| 光学, center, 如何

如何实现光学超分辨(六)

席鹏著

 

第六章 PALM/fPALM 你掌心的痣我总记得在哪里

 

其实自从上次写完STORM,对于采用开关-定位这一族超分辨技术来说,已经没有什么更新鲜的技术可写了。但是这里有两个几乎在同一时间被发明的孪生兄弟,却不得不提。先把两篇文章的信息放上:

l  Eric Betzig, George H. Patterson, Rachid Sougrat, O. Wolf Lindwasser, Scott Olenych, Juan S. Bonifacino, Michael W. Davidson, Jennifer Lippincott-Schwartz, Harald F. Hess, “Imaging Intracellular Fluorescent Proteins at Nanometer Resolution”, Science 2006 Vol. 313 no. 5793 pp. 1642-1645  (Received for publication 13 March 2006. Accepted for publication 2 August 2006. Published Online August 10 2006)

 

l  Samuel T. Hess, T. P. K. Girirajan, and M. D. Mason, “Ultra-High Resolution Imaging by Fluorescence Photoactivation Localization Microscopy,” Biophysical Journal, vol. 91, no. 11, pp. 4258-4272, 2006. Submitted June 12, 2006, and accepted for publication August 28, 2006. Published 1 December 2006

很多事件都非常相似,但是没有这么相似:这两个技术,第一个叫PALM,第二个叫FPALM;发明人中,第二个发明人叫Hess,第一个的发明人之一、共同第一作者也叫Hess(如果把s掰直成l,那就是STED的发明人教主Hell,更乱了);第一个投出时间在063月早春,第二个是在06年夏天6月。


Eric Betzig


Harald Hess


Samuel Hess

 

先说Eric Betzig,我是很有幸读到他的那篇2006年的Science论文,发现他竟然和我同在美国密西根州兰欣市。然后在组会上给大家介绍他的工作,我老板也很惊讶:哦,是他啊?原来做近场光学的,早几年我们还一起吃过饭、讨论过关于光学成像的相关问题。后来他自己出去开公司了,就没了联系。没想到他竟然去了HHMI

于是我就很得意地畅想,或许,我们曾经在同一条河里钓过bash,只不过不在同一个时空而已。甚至,有可能从他钩下逃脱的小鱼,刚好在另一个时域被我捞起。兰欣能钓鱼的地方并不多。

Eric Betzig,一个典型的高帅富的奋斗故事。以下故事部分来源于HHMI个人介绍,和2008Nature Photonics的编辑采访:

Eric本科毕业于Caltech,在康奈尔大学获得博士学位。之后进入贝尔实验室,在那里的六年中,他研究近场光学(上篇帖子里有读者希望我再写一点perfect lens的超分辨,其中就有很多是近场光学倏逝波的探测)并将其用于生物细胞成像。他注册了一家公司叫New Millennium Research,但是很快就得到父亲的召唤,去管理他们的加工业帝国。要知道,在汽车工业兴盛的密西根州,加工业的地位举足轻重。

在那里,有一个困扰着加工业多年的问题,也许因为它太难,所以大家对它习以为常,熟视无睹:为了加工一个小部件,必须让一个很大很重的部件移动或停止。这样,很多的时间和能量消耗在了移动加工工具上。Eric巧妙地让加工机械高速移动,却不牺牲加工精度。因此极大地提升了加工效率。

但是,燕雀安知鸿皓之志。在无数个深夜,Eric在梦里都回到了他熟悉的显微镜前,那里,一个个细胞在游动,神秘的生命信号在传递。然而,模糊的双眼无法看清这一切。。。他惊醒了!因为他想到了应该怎么做就能看到这一切的神奇。

然而Eric也是一个十分现实的人:在申请职位的时候,他的简历上,有十年之久是学术空白。“要想让这个世界再听你的理论,你必须拿出一些让人折服的好东西。”Eric说。

可是,他老爹似乎并不是非常支持儿子离开家族企业。Eric在到HHMI之前,没有自己的实验室。其实要想留住儿子,划出30平米的小房子做个实验室,应该不是难事。

Eric他们所有的实验都因陋就简,大部分是在他的好朋友,Harold Hess在加州的的公寓改装的实验室完成的。在那里,他们把光学平台放在客厅里,鼓捣他们的新型显微系统。可能我们读者里面,很多人的实验室硬件条件比他们更好。

Hess承认,自己与Betzig对生物学的认识都不深。但是他们坚信,生物学的发展能够为超分辨带来转机。于是,他们屡败屡战了15,希望能运用生物学知识获取高分辨率的显微图像。当HessBetzig了解到Lippincott-SchwartzGeorge Patterson2002年发明的光敏绿色荧光蛋白(photoactivatable green fluorescent protein)后,他们知道他们已经找到了解决问题的关键所在:开关-定位。

接下来的整个冬天Eric BetzigHarald Hess以及Lippincott-Schwartz等人都一直在那间狭小的没有取暖设备的实验室里工作。

三个人,一个团队。没有漫长的圣诞假期,没有奢侈的实验装备,有的,只是一个共同的信念支持着他们前行:既然理论上可行,那就不要借口。我们一定要在实验上证明它

冬去春来的时节,他们终于看到了转机。回想起当时的情形,Lippincott-Schwartz指出:他们当时非常激动。我还记得当我们得到第一张显微图像时,你根本无法看出那是什么东西。直到我看到他们将荧光图像和电镜图像叠加之后的结果才相信,我们成功了。我当时觉得这一切真是太神奇了。

2006年,Eric BetzigHarald Hess以及Lippincott-Schwartz小组在《科学》杂志上发表了他们的PALM研究成果。使用PALM可以清楚得看到细胞黏着斑和特定细胞器内的蛋白质。整个出版过程:313号投稿,82号接收,10号网上发表。

 

 

 

PALM用于观察溶酶体跨膜蛋白。

 

再来说说FPALM的故事。Samuel T Hess,分别在耶鲁大学和康奈尔大学完成本科和博士学位;当时在Maine大学担任助理教授。在那儿他申请了一个课题,很快要结题了,所以有些经费要赶紧花掉(美帝也有类似制度)。但是Samuel并没有随便买些家当,而是沉迷于和学校的化学工程师和生物学工程师的一些讨论:如何提高观察活体细胞脂筏结构的分辨率?

2005年的一个夏夜,Hess被一阵电子打击乐吵醒。邻居家又在举办舞会了。无奈啊,爱好宴乐的芸芸众生,哪知道我等科研工作者都是不眠不休的怪物呢?半睡半醒的Hess走下楼来,本想出去告诉他们安静些,但是碍于情面(看过《生活大爆炸》的读者大概都知道,我们科学家是多么不擅长这个的),只好作罢。他随手画了一副设计图,可以通过借助荧光标记的蛋白质来显示细胞形态。

所以,我经常教育我的学生:当你思路不清楚的时候,画图!

第二天早上,当Hess重新翻看这幅非清醒状态绘制的潦草的设计图时,不由得大笑起来:它是那么简洁,但解决了“看不清”的难题。不可能吧?再看看,令人吃惊的是,这幅设计图竟然没有未被任何物理原理。于是他将信将疑地把这幅图拿给物理系的同事peer review,也没有发现任何问题。

接下来,Hess就按照他的设计图开始制作显微镜了。此时,他的科研经费所剩不多,而结题时间转眼就到。因此,Hess等人以最快的速度组装好显微镜,并进行了试验。同时,在不到两天的时间里,缅因州立大学表面科学技术实验室的同事就为Hess制备好供检验显微镜效果的蓝宝石晶体样品。所以,有一个高效的合作团队至关重要。

相比与Eric等人的效率,Samuel还是相对有点慢了:从2005年有了想法、做了实验到20066月文章投出,他用了一年时间。这个几乎直接导致了他的工作的影响因子比Eric他们差了一个数量级。同时,由于他作图相对潦草——未能在生物细胞上演示这一工具的强大魅力,也直接导致了他的工作相对不大受到关注。

2006年底,《生物物理学期刊》(Biophysical Journal)刊登了Hess小组的科研成果。2007年,Hess小组证明了FPALM可以分辨细胞膜脂筏上的蛋白质簇。

 

回到我们本章的标题。PALM/FPALM,突然想起了林忆莲的《至少还有你》:

如果   全世界我也可以忘记

至少还有你

值得我去珍惜

你掌心的痣

我总记得   在哪里。

在《圣经新约》里,耶稣第二次来到门徒中间,门徒们认不出已经变了身的救主。于是耶稣将手让门徒看。当门徒们看到那钉痕,立刻就分辨了出来,就欢呼:“是主!”从此,几个没有受过教育的村夫,几个已经吓破胆准备散伙的门徒,重新团结起来,将耶稣的思想传遍了世界,影响着我们今天的主要生活。

PALM,也正是因为在手掌(衍射极限分辨决定的区域内)范围内通过蛋白质开-关的效应,因为只有一个钉痕,所以就能够通过定位将其分辨出来了。

 

 

 

在写完本章的同时,很欣喜地知道,我们的超分辨文章发表在PLoS ONE上。看来科普有好报啊!这一工作是我国首次实验报道STED超分辨,且在三种细胞器和RNA上均验证了STED所带来的分辨率提升。

由于PLoS玩的是paper2.0,也就是论文的影响不再是SCI因子说了算,而是读者您说了算,期待大家注册个账号并给点掌声!我们在那里互动一下吧!你的支持是我继续写下去的动力!

文章链接:

我国STED超分辨工作在PLoS ONE发表
科学网报道:研究实现STED超分辨率光学显微成像

 



https://blog.sciencenet.cn/blog-499502-586605.html

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