低温电子显微镜2.0：UCLA获得诺贝尔奖的成像技术又有突破性进展

低温电子显微镜2.0：UCLA获得诺贝尔奖的成像技术又有突破性进展一系列低温电子显微镜图像。灰度照片是成像支架附着在目标蛋白质上的多个视图的二维投影；彩色图片说明了从二维投影得出的三维重建。图片来源：RogerCastells-Graells/加州大学洛杉矶分校由加州大学洛杉矶分校领导的一个生物化学家小组设计出了一种解决方案，可以在成像时固定住小的蛋白质分子，这将使低温电子显微镜能够生成更清晰的小分子图像。这一进展意义重大，因为中小型蛋白质分子是癌症和其他疾病潜在新药研究的一个重点领域。2017年诺贝尔化学奖授予了开发冷冻电子显微镜（cryo-EM）的科学家，这是一项开创性技术，可对大型生物分子的原子结构进行高分辨率成像。然而，冷冻电镜仍有缺陷：它只对大分子成像有效。现在，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的生物化学家与制药业科学家合作开发出了一种解决方案，使低温电子显微镜也能获取较小蛋白质分子的高质量图像。科学家们设计了一种20纳米的立方体蛋白质结构，称为"支架"，具有类似三脚架的刚性突起，可将小蛋白质固定到位。在处理成像时，可以用数字技术将支架从图片中移除，只留下科学家们正在分析的小蛋白质的合成三维图像。附着在蛋白质KRAS（背景）上的支架电子显微镜图像。左侧圆圈显示的是一个成像支架，第二个圆圈显示的是与KRAS结合的成像支架的三维结构，第三个圆圈显示的是KRAS与抗癌药物AMG510结合的特写。图片来源：RogerCastells-Graells/加州大学洛杉矶分校中小型蛋白质是潜在新药研究的热点，这些新药有朝一日可能被用来对抗一些最棘手的人类疾病。科学家们正在对一种蛋白质进行测试，研究它在癌症治疗中的用途。研究人员预计，扩大低温电子显微镜的成像能力将有助于他们确定蛋白质上的特定位置，从而确定治疗目标。有关这项新研究的论文最近发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。低温电子显微镜的工作原理在冷冻电子显微镜中，科学家使用冷冻电子显微镜发送一束电子穿过冷冻的材料样本，留下样本中成千上万分子（如蛋白质）的图像。分子在样本中的位置会被精确成像，从而产生成千上万张从不同角度拍摄的分子二维照片。计算机对所有这些照片进行处理，形成正确的三维图像--分离背景，将方向相似的图像组合在一起，生成单个分子的高分辨率三维图像。但是，在对最小的蛋白质分子进行成像时，由于它们的尺寸极小，因此无法确定它们在图像中的方向，从而产生了分辨率相对较低的图像。在以前的研究中，科学家们试图通过将小分子附着在较大的支架上来解决这个问题，但这些实验表明，如果小分子附着得过于灵活，它们就会以不同的角度和方向从支架上突出来，这仍然会产生模糊的图像。加州大学洛杉矶分校生物化学荣誉杰出教授、加州大学洛杉矶分校能源部基因组学和蛋白质组学研究所临时所长托德-耶茨（ToddYeates）是这篇论文的通讯作者，他说："图像之所以模糊，是因为计算机在无法准确确定方向的情况下，无法生成清晰的合成图像。"在这项新研究中，科学家们创建的支架具有三脚架形状的突起，可以捕捉蛋白质并将其牢牢固定，从而获得他们想要的更高分辨率图像。耶茨说："将小分子牢固地附着在较大的支架上，就能产生足够大的颗粒来进行成像，而且这些颗粒的三维形状都完全相同。从这里开始，整个过程就像往常一样，构建出高分辨率的三维图像"。该研究的第一作者、加州大学洛杉矶分校博士后研究员罗杰-卡斯特尔斯-格拉埃尔斯（RogerCastells-Graells）说，科学家们首先尝试了另一种形状的支架，然后才确定了带有三脚架状突起的版本。他说："起初，我们使用一根向外的'棍子'，但效果并不好。新支架上的突起呈三胞胎状相互指向，就像三脚架一样，能牢牢地固定住蛋白质。"在药物开发中的应用研究人员通过尝试创建一种名为KRAS的蛋白质的图像来测试他们的支架，这种蛋白质能促进细胞增殖。它在大约25%的人类癌症中起着作用。制药研究人员对这种蛋白质特别感兴趣，因为确定蛋白质上与其致癌能力有关的特定位置，可以帮助科学家设计出中和这些位置活性的药物--这可能是治疗癌症的一条途径。加州大学洛杉矶分校领导的研究小组利用低温电子显微镜和他们开发的支架，观察了附着在药物分子上的KRAS原子结构。他们的工作证明，新的支架低温电子显微镜方法可以揭示药物分子如何与KRAS等细胞蛋白结合并抑制它们，有助于指导开发更有效的药物。据Castells-Graells称，这项新进展的潜在应用不仅限于抗癌药物。他说："我们的支架是模块化的，可以任意组合，捕捉和容纳各种小分子蛋白质。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387189.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387189.htm

新型二合一显微镜可详细观察细胞内部结构

新型二合一显微镜可详细观察细胞内部结构如今，科学家们已经能够使用功能强大的显微镜窥视细胞内部。要了解特定生物分子是如何作用和反应的，这一点非常重要。然而，这些工具也有一些缺点。以超分辨率荧光显微镜（SRM）为例。它非常适合追踪细胞中的单个分子（如蛋白质），但不能向科学家展示附近发生了什么。此外，虽然低温电子断层扫描（cryo-ET）可以获得高分辨率的细胞图像，但它无法精确定位单个分子在做什么。因此，美国能源部斯坦福线性加速器中心（SLAC）国家加速器实验室的研究人员着手将这两种成像技术结合到一台显微镜中。研究报告的第一作者彼得-达尔伯格（PeterDahlberg）说："我们的目标是保持两种技术的优点。保留了荧光显微镜的分子特异性，所以你知道谁是谁，然后可以把它放在低温电子显微镜的高分辨率结构中。"荧光显微镜技术是用一种较小的分子标记单个分子，这种分子在光线照射下会发光。然后就可以在普通的--尽管分辨率非常高--光学显微镜下追踪该分子。低温电子显微镜使用电子显微镜来研究细胞等速冻样本。将这两种技术相结合后，研究人员立即遇到了需要克服的问题。首先，必须将含有荧光标记分子的细胞投放到直径仅为3毫米的低温电子显微镜网格上，然后快速冷冻，使网格上的水变成玻璃（玻璃化）。一旦冻结，细胞就必须保持冻结状态。第二个问题是冷冻细胞的大小--它们有数千纳米厚--但冷冻CT使用的电子无法穿透200纳米以下的深度。因此，研究人员开发了一种名为"聚焦离子束铣削系统"的设备，该设备附带扫描电子显微镜（FIB-SEM）。聚焦离子束会切割掉细胞材料，留下冷冻ET可以穿透的极薄的冷冻细胞片。然后，扫描电子显微镜向样品发射电子，生成高分辨率图像。原型FIB-SEM有一个问题：它没有连接光学显微镜，这意味着必须移动冷冻-ET网格才能进行荧光显微镜检查。幸运的是，解决方法很简单。Dahlberg说："从根本上说，我们只是拆开了这台价值150万美元的精密仪器，安装了这个集成的光学显微镜，现在我们有了一个更好的系统。"研究人员在2020年测试了FIB-SEM，追踪细菌细胞内的蛋白质，发现它可以工作，但意识到冷冻ET网格的材料会吸收光线，破坏冷冻样本。因此，他们进行了一些调整，设计了更好的网格，并为光学显微镜制作了更好的平台。现在，研究人员正在设计不同种类的荧光标签--生物传感器--以便在低温条件下工作。生物传感器是一种荧光分子，能根据当地环境改变其发射或激发特性，在一种环境中发出一种颜色，而在另一种环境中则发出不同的颜色。Dahlberg说："它们可以被调整为对pH值、适应数百种环境变量。因此，除了具体位置和高分辨率结构信息外，你还可以知道我的细胞是健康的还是生病的？即将进行细胞分裂？ATP浓度高吗？它提供了所有这些额外的内容。"研究人员将继续修补FIB-SEM，直到它得到优化并充分发挥其潜力。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1389293.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1389293.htm

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：2024Ideguchi等人/《自然-光子学》（NaturePhotonics）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TakuroIdeguchi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RhodococcusjostiiRHA1）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：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428501.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428501.htm

我国自主研发高分辨率 “扫描探针显微镜” 进入商业化应用

我国自主研发高分辨率“扫描探针显微镜”进入商业化应用据新华社，扫描探针显微镜是探索微观世界的核心设备，由我国自主研发的qPlus型扫描探针显微镜已进入国产商业化应用。这款扫描探针显微镜具有“原子级”空间分辨率和高敏感度，将为探索轻元素量子材料及其他材料的微观奥秘提供新的视角和工具。5月22日，北京市交叉研究平台项目——轻元素量子材料交叉平台揭牌启动仪式在北京怀柔科学城举行。仪式上发布了这一消息。

研究人员开发出大视场高速超分辨率显微镜

研究人员开发出大视场高速超分辨率显微镜研究人员开发了一种荧光显微镜，利用结构照明在宽视场范围内进行快速超分辨率成像。它还可用于多色和高速成像。图片来源：比勒费尔德大学HenningOrtkrass德国比勒费尔德大学的亨宁-奥特克拉斯（HenningOrtkrass）说："通常开给慢性病患者或老年人的多种药物组合的影响可能导致危险的相互作用，并正在成为一个主要问题。我们开发的这款显微镜是EICPathfinderOpenProjectDeLIVERy项目的一部分，该项目旨在开发一个平台，用于研究个体患者的多重用药情况。"研究人员使用新的显微镜装置对固定的多色染色肝细胞进行成像。图像显示了细胞的微小膜结构，这些结构小于光的衍射极限。图片来源：比勒费尔德大学HenningOrtkrass在Optica出版集团的《光学快报》（OpticsExpress）杂志上，研究人员介绍了他们的新型显微镜，该显微镜利用光纤传输激发光，在非常大的视野范围内实现了非常高的图像质量，并具有多色和高速功能。研究表明，该仪器可用于肝细胞成像，视场可达150x150μm²，成像速率高达44Hz，同时保持小于100nm的时空分辨率。Ortkrass说："使用这种新型显微镜，可以在离体细胞上测试单个药物组合，然后进行超分辨率成像，观察细胞膜特征或细胞器的动态变化。大视场可以提供有关细胞反应的统计信息，这些信息可用于改善个性化医疗保健。由于该系统的潜在尺寸较小，它还可用于高分辨率非常重要的临床应用。"新型荧光显微镜采用结构照明，可在宽视场范围内快速进行超分辨率成像。还可以进行多色成像，如视频所示。图片来源：比勒费尔德大学HenningOrtkrass这种新型显微镜基于超分辨结构照明显微镜（SR-SIM），利用结构化的光模式激发样品中的荧光，实现超越光衍射极限的空间分辨率。SR-SIM特别适合活细胞成像，因为它使用低功耗激发，不会伤害样本，同时还能生成高度精细的图像。为了实现宽视场的高分辨率，新型显微镜从一组原始图像中重建超分辨图像。这些原始图像是通过使用一组六根光纤，以正弦条纹图案照射样品获得的。这样，分辨率提高了两倍，同时还能实现快速成像，并与活细胞成像兼容。得益于显微镜的大视野，可以同时获取多个细胞的超分辨率图像。图片来源：HenningOrtkrass，比勒费尔德大学Ortkrass说："光纤选择和相移是通过基于振镜和MEMS镜的全新设计的光纤开关实现的。为此我们还定制设计了一个六边形支架，可将六根光纤的光束准直并重新聚焦到显微镜中，以照亮一个大的FOV并对所有光束进行精确调整。这使得该装置可用于全内反射荧光激发（TIRF）-SIM，从而将荧光激发和检测限制在样品的薄区域内。"由于肝脏是参与药物代谢的主要器官，研究人员使用固定的多色染色大鼠肝细胞样本对该装置进行了测试。利用新型显微镜生成的重建图像可以观察到小于光衍射极限的微小膜结构。Ortkrass说："这种紧凑型系统独特地将大视野、快速图案切换速度与多色、高能效激发结合在一起。此外，该装置还能获得极高的图像质量，并可进行调整，以执行2D-SIM或TIRF-SIM。"下一步，研究人员计划将该显微镜装置应用于肝细胞的活细胞研究，以观察接受多种药物治疗的细胞的动态变化。他们还计划改进图像重建过程，以完成对获取的原始数据进行实时重建。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1382739.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1382739.htm

全球首台商用低温版量子钻石原子力显微镜发布

全球首台商用低温版量子钻石原子力显微镜发布5月21日，全球首台商用低温版量子钻石原子力显微镜，在全国首届量子精密测量赋能产业发展大会上正式亮相。该显微镜由国仪量子技术（合肥）股份有限公司自主研制，这标志着我国量子精密测量技术的产业化发展，取得重要突破。低温版量子钻石原子力显微镜，是一台结合了金刚石NV色心光探测磁共振技术，以及原子力显微镜扫描成像技术的量子精密测量仪器，其可用于宽温区下高分辨、高灵敏、定量无损的磁学测量，具有纳米级的高空间分辨以及单个自旋的超高探测灵敏度。（科技日报）