科学家研制出改进型中红外显微镜 清晰度提高30倍

科学家研制出改进型中红外显微镜 清晰度提高30倍 这幅插图左上方是用中红外线照射的细菌，下方显微镜发出的可见光帮助捕捉图像。细菌内部的化学图像比传统的中红外显微镜清晰 30 倍。图片来源：2024 Ideguchi 等人/《自然-光子学》（Nature Photonics）研究人员说，这一最新进展产生了 120 纳米的图像，比典型的中红外显微镜的分辨率提高了 30 倍。能够在更小的范围内更清晰地观察样本，有助于多个领域的研究，包括传染病研究，并为未来开发更精确的中红外成像技术开辟了道路。微观领域是病毒、蛋白质和分子的栖息地。借助现代显微镜，我们可以大胆地观察自己细胞的内部结构。但即使是这些令人印象深刻的工具也有其局限性。例如，超分辨率荧光显微镜需要用荧光标记标本。这有时会对样本产生毒性，而且在观察时长时间暴露在光线下会漂白样本，这意味着它们不再有用。电子显微镜也能提供令人印象深刻的细节，但样本必须置于真空中，因此无法研究活体样本。相比之下，中红外显微镜可以提供活细胞的化学和结构信息，而无需对细胞进行着色或破坏。然而，由于中红外显微镜的分辨率相对较低，它在生物研究中的应用受到了限制。超分辨荧光显微镜可以将图像缩小到数十纳米（1 纳米为一毫米的百万分之一），而中红外显微镜通常只能达到 3 微米左右（1 微米为一毫米的千分之一）。然而，东京大学的研究人员在一项新的突破中，实现了比以往更高的中红外显微镜分辨率。"我们的空间分辨率达到了 120 纳米，即 0.12 微米。"东京大学光子科学与技术研究所的 Takuro Ideguchi 教授解释说："这一惊人的分辨率大约是传统中红外显微镜分辨率的 30 倍。"研究小组使用了"合成孔径"技术，该技术结合了从不同照明角度拍摄的多幅图像，以生成更清晰的整体图像。通常情况下，样品被夹在两个透镜之间。然而，透镜会无意中吸收部分中红外光。为了解决这个问题，研究人员将细菌样本（使用了大肠杆菌和Rhodococcus jostiiRHA1）放在硅板上，硅板可以反射可见光并透过红外线。这样，研究人员就可以使用单透镜，用中红外光更好地照射样品，获得更详细的图像。"我们对能够如此清晰地观察细菌的胞内结构感到惊讶。我们显微镜的高空间分辨率可以让我们研究抗菌药耐药性等世界性问题，"Ideguchi 说。"我们相信，我们可以从多个方向继续改进这项技术。如果我们使用更好的透镜和更短的可见光波长，空间分辨率甚至可以低于 100 纳米。有了更高的清晰度，我们希望研究各种细胞样本，以解决基础和应用生物医学问题。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

《动物本能》透过生物学看我们是谁

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《全国中学生生物学竞赛理论教程》

《全国中学生生物学竞赛理论教程》 简介：《全国中学生生物学竞赛理论教程》是专门为参加全国中学生生物学竞赛的学生编写的理论学习教材。教材系统涵盖了中学生物学竞赛所涉及的各个知识领域，包括细胞生物学、植物学、动物学、遗传学、生态学等。对每个知识板块进行了深入讲解，不仅包含基础知识，还拓展了许多竞赛所需的前沿知识和深度内容。通过丰富的图表、案例和练习题，帮助学生巩固知识，提升解题能力，为参加生物学竞赛提供全面的理论支持，适合准备参加全国中学生生物学竞赛的学生使用 标签： #生物学竞赛#竞赛教程#中学生物学#知识拓展#竞赛备考 文件大小：NG 链接：https://pan.quark.cn/s/71d32d8892a0

科学家解决了困扰数十年之久的显微镜问题

科学家解决了困扰数十年之久的显微镜问题 Daan Boltje 和 Ernest van der Wee 的实验装置。光学显微镜的镜头（右下角）被空气包围，透过玻璃板观察小球。在玻璃板顶部，样品被置于一滴水中。玻璃板和小球之间的距离可以调节，这样研究人员就可以改变深度。资料来源：代尔夫特理工大学代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）的研究人员现在首次证明，这种扭曲并不是恒定的，这与许多科学家几十年来的假设相反。这一突破发表在《光学》（Optica）杂志上，证实了诺贝尔奖得主斯特凡-海尔（Stefan Hell）在上世纪 90 年代的预测。通过在线计算工具和软件，每位研究人员现在都能确定生物样本的正确深度。用显微镜观察生物样本时，如果物镜透镜所处的介质与样本不同，光束就会受到干扰。例如，当使用被空气包围的透镜观察水样时，光线在透镜周围的空气中比在水中弯曲得更厉害。这种干扰会导致测量的样品深度小于实际深度。"因此，样品看起来会变平。这个问题由来已久，从上世纪 80 年代开始，人们就提出了一些理论来确定一个用于确定深度的校正系数。然而，所有这些理论都假定这一系数是恒定的，与样品的深度无关。尽管后来的诺贝尔奖获得者斯蒂芬-海尔（Stefan Hell）在上世纪 90 年代指出，这种比例可能与深度有关，但还是出现了这种情况"，雅各布-霍根布姆（Jacob Hoogenboom）副教授解释道。代尔夫特理工大学的前博士后谢尔盖-洛格诺夫（Sergey Loginov）通过计算和数学模型证明，样品在靠近透镜的地方确实比远离透镜的地方显得更加扁平。博士生 Daan Boltje 和博士后 Ernest van der Wee 随后在实验室证实，矫正因子与深度有关。Van der Wee："我们已将结果汇编成网络工具和软件，随文章一起提供。有了这些工具，任何人都可以为自己的实验确定精确的校正因子"。"部分得益于我们的计算工具，我们现在可以非常精确地从生物系统中切出蛋白质及其周围环境，用电子显微镜确定其结构。这种显微镜非常复杂、耗时，而且价格昂贵。因此，确保观察到正确的结构非常重要，"Boltje 说。"有了我们更精确的深度测定，我们在错过生物目标的样本上所需花费的时间和金钱就会大大减少。最终，我们可以研究更多相关的蛋白质和生物结构。而确定生物系统中蛋白质的精确结构，对于了解并最终防治异常和疾病至关重要。"在他们制作的网络工具中，您可以填写实验的相关细节，如折射率、物镜孔径角和所用光线的波长： ... PC版： 手机版：

冷冻阻断麻疹低温电子显微镜的突破性发现

冷冻阻断麻疹低温电子显微镜的突破性发现 研究人员准确揭示了中和抗体是如何阻止麻疹病毒感染的，并正在利用这些知识开发新的疫苗和治疗方法，通过阻止麻疹病毒与人体细胞的融合过程来抑制麻疹病毒。他们利用低温电子显微镜观察到了一种名为 mAb 77 的抗体是如何阻断这种融合的，从而获得了同样适用于其他致命病毒的见解。这项研究表明，mAb 77 有可能成为预防或治疗麻疹的鸡尾酒疗法的一部分，尤其是在易感人群中。当麻疹病毒遇到人类细胞时会发生什么？病毒机制以适当的方式展开，揭示出使其自身与宿主细胞膜融合的关键部分。一旦融合过程完成，宿主细胞就完了。它现在属于病毒了。麻疹研究和疫苗开发的进展拉霍亚免疫学研究所（LJI）疫苗创新中心（Center for Vaccine Innovation）的科学家们正在努力开发能够阻止这种融合过程的新型麻疹疫苗和疗法。研究人员最近利用一种名为冷冻电子显微镜的成像技术，以前所未有的细节展示了一种强效抗体如何在病毒完成融合过程之前就将其中和。研究人员捕捉到了与麻疹融合糖蛋白（绿色）结合的新型中和抗体（蓝色）的结构。这种抗体产生了一种独特的中和机制，通过基于细胞的测定和结构生物学的结合得到了解释。资料来源：Dawid Zyla, LJI"这项研究令人兴奋的地方在于我们捕捉到了融合过程的快照，"LJI 教授、总裁兼首席执行官 Erica Ollmann Saphire 博士解释说，她与哥伦比亚大学儿科病毒分子发病机制教授 Matteo Porotto 博士共同领导了这项科学研究。"这一系列图像就像一本翻书，我们看到了融合蛋白展开过程的快照，但随后我们又看到抗体在完成融合过程的最后阶段之前将其锁定在一起。我们认为其他针对其他病毒的抗体也会做同样的事情，但以前还没有这样的图像。"事实上，这项工作的重要性可能超越麻疹。麻疹病毒只是副黏液病毒家族中的一员，该家族还包括致命的尼帕病毒。尼帕病毒的传染性较低，但造成的死亡率却比麻疹高得多。"我们所了解到的融合过程对尼帕病毒、副流感病毒和亨德拉病毒都有医学意义，"该研究的第一作者、LJI 博士后研究员 Dawid Zyla 博士说，"这些都是具有大流行潜力的病毒。"麻疹治疗的迫切需要麻疹是一种高度传染性的空气传播疾病，儿童往往是重灾区。尽管在疫苗接种方面做了大量工作，但该病毒仍然是一个重大的健康威胁。根据世界卫生组织和美国疾病控制中心的数据，2022 年麻疹在全球造成约 13.6 万人死亡，最近在美国十几个州也爆发了麻疹疫情。受害者大多是未接种疫苗或接种疫苗不足的五岁以下儿童。"麻疹造成的儿童死亡人数比任何其他疫苗可预防疾病都多，它也是已知传染性最强的病毒之一，"Saphire 说。Zyla 解释说，面临风险的不仅仅是幼儿。"Zyla说："目前的疫苗效果很好，但孕妇或免疫系统受损的人不能接种。研究第一作者、LJI 博士后研究员 Dawid Zyla 博士 资料来源：Matthew Ellenbogen目前还没有治疗麻疹的特效药，因此研究人员正在寻找抗体，作为预防严重疾病的紧急疗法。为了更好地了解麻疹病毒是如何与细胞融合的，LJI 团队使用了一种名为 mAb 77 的抗体。研究人员发现，mAb 77 的靶标是麻疹融合糖蛋白，它是麻疹病毒通过一种叫做融合的特殊过程进入人体细胞的机器。mAb 77 能否作为治疗麻疹的抗体？为了找出答案，珞珈山国际学院的科学家们研究了这种抗体究竟是如何对抗病毒的。LJI 团队需要设计出一种麻疹融合糖蛋白一种无害的病毒片段足够稳定，可以用冷冻电子显微镜成像。为此，Zyla 与哥伦比亚大学 Porotto 实验室的科学家密切合作。波罗托的研究小组在一种攻击人们中枢神经系统的麻疹变种中发现了一些奇怪的突变。这种变异病毒的融合糖蛋白结构中存在一些薄弱环节。为了弥补这一缺陷，病毒进化出了特殊的稳定变异。波罗托说："病毒必须发生变异才能进入大脑，但这时它需要这些稳定变异来弥补。"得益于哥伦比亚大学的这些发现，Zyla 有了一个简便的蓝图，可以利用这些相同的稳定突变来设计一种融合糖蛋白。这种新的融合糖蛋白可以在细胞培养中大量生产，而且足够坚固，可用于结构研究。Zyla说："我们获得了极高的糖蛋白产量，这也使我们能够进行结构生物学、生物化学和生物物理研究。"接下来，研究人员开始借助 LJI 冷冻电镜核心捕捉图像。新图像显示了融合糖蛋白与 mAb 77 的"复合体"。研究人员发现，mAb 77 能在融合过程的中间阶段阻止病毒此时融合糖蛋白已经完成了部分"折叠"，形成了完成膜融合的正确构象。最后，研究人员终于弄清了 mAb 77 是如何将融合糖蛋白的碎片锁在一起以防止病毒感染的。既然知道了 mAb 77 的作用原理，研究人员希望这种抗体能作为鸡尾酒疗法的一部分，用于预防麻疹或治疗活动性麻疹感染者。在一项后续实验中，研究人员发现，在棉鼠感染麻疹病毒的模型中，mAb 77 能显著预防麻疹。棉鼠在暴露于麻疹病毒之前接受了 mAb 77 的预处理，其肺部组织没有出现感染或感染迹象有所减少。展望未来，Saphire 和 Zyla 有兴趣研究不同的麻疹抗体。Zyla说："我们希望在过程的不同阶段停止融合，并研究其他治疗机会。"Zyla 还计划继续与哥伦比亚大学的麻疹研究人员密切合作。LJI的结构生物学专业知识与哥伦比亚大学的细胞生物学和病毒学专业知识相结合，是推进这个项目的关键。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

一种基于无透镜成像的新方法可以实现近乎完美的高分辨率显微镜观察

一种基于无透镜成像的新方法可以实现近乎完美的高分辨率显微镜观察 圆环状光束从具有规则重复结构的物体上反弹产生的散射图案。资料来源：Wang 等人，2023 年，"Optica"（光学）。功能最强大的无透镜成像技术被称为"层析成像"，其工作原理是用类似激光的光束扫描样品，收集散射光，然后利用计算机算法重建样品图像。虽然层析成像技术可以观察到许多纳米结构，但这种特殊的显微镜在分析具有非常规则的重复图案的样品时会遇到困难。这是因为在扫描周期性样品时，散射光不会发生变化，因此计算机算法会感到困惑，无法重建良好的图像。面对这一挑战，刚刚毕业的博士研究员王斌和内森-布鲁克斯与 JILA 研究员 Margaret Murnane 和 Henry Kapteyn 合作，开发出一种新方法，利用具有特殊涡旋或甜甜圈形状的短波长光来扫描这些重复表面，从而产生更多不同的衍射图样。这使得研究人员能够利用这种新方法捕捉到高保真的图像重建，他们最近在《光学》（Optica）杂志上发表了这篇论文。这项成果还将在《Optica》杂志的《光学与光子学新闻》（Opticsand Photonics News）2023 年光学 年度要闻中重点介绍。这种新的成像方法对于纳米电子学、光子学和超材料的应用尤其具有影响力。Murnane 解释说："将可见激光束结构化（或改变其形状）为甜甜圈和其他形状的能力彻底改变了可见光超分辨率显微镜技术。现在，我们有了将这些强大功能应用到更短波长的途径，这非常令人兴奋"。雕刻涡形高次谐波束为了在台式装置中产生类似激光的短波长光束，JILA 小组使用了一种称为高次谐波发生（HHG）的过程。当超高速激光脉冲击中一个原子时，高次谐波发生器会将一个电子拉走，然后将其驱回母体原子重新结合。原子在接触时，会将电子的动能转化为极紫外（EUV）光。如果数以百万计的原子都同步发出极紫外光，那么这些光波就会产生类似激光的明亮极紫外光束。为了给重复图案成像，JILA 的研究人员需要找到一种改变 HHG 光束的方法，这样当 EUV 光束在样品上扫描时，散射光就会发生变化。为了达到这一效果，研究人员将 HHG 光束从圆盘状转变为涡旋状或甜甜圈状，这就是所谓的轨道角动量（OAM）光束。这种不同的形状对于实现周期性样品的无透镜成像至关重要。当科学家们用漩涡状的 HHG 光束照射显微镜时（见附图），会产生更复杂的散射图案，这些图案会随着样品的扫描而变化。这些变化编码了样品重复图案的信息，使算法能够提取精确的图像。除了这一令人兴奋的结果之外，与扫描电子显微镜相比，这种新型涡流束无透镜成像技术对脆弱样品的损伤也更小。由于许多软性材料、塑料和生物样本都很脆弱，因此有一种精确而温和的方法来对它们进行成像是非常关键的。此外，涡流束无透镜成像比扫描电子显微镜更能检测出纳米图案中的缺陷，因为扫描电子显微镜往往会融化脆弱的样品。对于为下一代纳米、能源、光子和量子设备制造图案化材料的科学家来说，这一进步能够在不破坏高周期结构的情况下对其进行高分辨率成像。正如 Kapteyn 所说："未来，这也有可能以高空间分辨率对微妙的活细胞进行成像"。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：