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

国产 200kV 透射电子显微镜进入小批量试产

国产200kV透射电子显微镜进入小批量试产由苏州博众仪器研发的200kV透射电子显微镜BZ-F200已经进入了小批试产阶段，标志着国产首台200kV透射电子显微镜取得重大突破。透射电子显微镜是半导体、生命科学、材料科学等领域必需的高端科学仪器，此次小批量试产的BZ-F200可根据用户需求选配热发射电子枪或热场发射（肖特基）电子枪，可实现EDS、STEM等多种功能，镜筒采用四级聚光镜照明系统设计，可实现微米束和纳米束、平行束和会聚束模式切换。（界面新闻）

显微镜自由：廉价镜超过数百万美元高档货

显微镜自由：廉价镜超过数百万美元高档货使用现有超高分辨率和扩展显微镜方法（从左至右1-3）以及ONE显微镜技术（4、5）产生的微管蛋白图像。图片来源：bioRxiv“显微镜技术也应该有某种形式的自由。”Rizzoli指出，该技术的高分辨率适用于很多人，而不是少数有钱的实验室。传统光学显微镜的能力受到光学定律的限制，这意味着观测小于200纳米物体的结果是模糊的。Rizzoli说，研究人员已经开发出获得超越物理学的超高分辨率的方法，可以将这一极限降低到10纳米左右。这种方法获得了2014年诺贝尔化学奖，它使用光学技巧精确定位附着在蛋白质上的荧光分子。2015年，研究人员提出了另一种规避光学限制的方法。美国麻省理工学院神经工程师EdwardBoyden领导的研究小组发现，充气组织（尿布中使用的一种吸收性化合物）可以使细胞彼此远离。这种被称为膨胀显微镜的技术使显微镜分辨率有了飞跃，可以分辨20纳米左右的结构。Shaib和Rizzoli的技术融合了这两种方法，可以达到1纳米以下的分辨率。这种清晰度足以揭示单个蛋白质的形状，而此前通常使用更昂贵的结构生物学方法，如冷冻电镜，或X射线结晶学方法对这些蛋白质进行成像。膨胀显微镜的简单性是其具有吸引力的部分原因，Boyden估计，超过1000个实验室采用了这项技术。样品经过化学处理，将蛋白质固定在一种聚合物上，加入水后，聚合物会膨胀到原来的1000倍，使分子分离。ONE显微镜技术利用热或酶分解蛋白质，这样单个片段在膨胀过程中就会被拉伸到不同的方向。研究人员已经使用新方法获得了一种神经分子GABAA受体的图片，后者与蛋白质的高分辨率冷冻电镜和X射线结晶学图片非常相似。他们还捕捉到一种名为耳铁蛋白的大体积蛋白质的轮廓，这种蛋白质的结构尚未确定，它有助于在大脑中传递音频信号。这个形状类似于AlphaFold深度学习网络作出的结构预测。该方法无法与冷冻电镜的分辨率相匹配，后者在某些情况下可以揭示小于0.2纳米的近原子级细节。冷冻电镜技术既精细又昂贵。Rizzoli说，相比之下，ONE显微镜可以提供一种了解几乎任何分子结构的快速而简单的方法。Rizzoli说，开发这项技术的部分动机是扩大尖端光学显微镜的可及性。ONE显微镜技术简单，适用于20世纪90年代已过时的荧光显微镜。位于埃及的开罗德国大学制药技术专家SalmaTammam计划今年夏天派一名博士生学习这项技术。她的实验室正在研究纳米颗粒如何在细胞中移动，他们想要看到粒子及其运载物的细节。但与低收入和中等收入国家的许多研究人员一样，他们无法获得昂贵的超高分辨率显微镜。德国莱布尼茨分子药理学中心生物学家NoaLipstein说，扩大超高分辨率显微镜的应用范围对资金雄厚机构的科学家也很重要。她最近成立了一个独立的研究小组，并将ONE显微镜应用于对神经突触细节的研究。相关论文信息：https://doi.org/10.1101/2022.08.03.502284《中国科学报》(2023-04-19第2版 国际)...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1355601.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1355601.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

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

BonFIRE开启显微镜设备的新篇章 以惊人的细节揭示生命的分子多样性

BonFIRE开启显微镜设备的新篇章以惊人的细节揭示生命的分子多样性BonFIRE技术在发表于《自然-光子学》（NaturePhotonics）杂志上的一篇论文中，加州理工学院化学助理教授、传统医学研究所研究员LuWei实验室的研究人员展示了他们称之为"键选择荧光检测红外激发光谱显微镜"（BonFIRE）的技术。BonFIRE将两种显微镜技术合二为一，具有更高的选择性和灵敏度，使研究人员能够在前所未有的单分子水平上可视化生物过程，并从分子角度了解生物机制。研究报告的合著者、化学工程专业研究生DongkwanLee说："有了我们的新型显微镜，我们现在可以用振动对比来观察单分子，而这是现有技术难以做到的。"博士后学者HaominWang（左）和研究生DongkwanLee（右）演示BonFIRE显微设备的操作。资料来源：加州理工学院BonFIRE背后的技术BonFIRE涉及的一项技术是荧光显微镜，该技术通过在分子和其他微观结构上标记荧光化学标记，使其在成像时发光，从而对其进行成像。另一种技术是振动显微镜技术，它利用分子原子间结合键的自然振动。要成像的样本会受到光的轰击，这里指的是红外光。这种轰击会导致材料分子中的键发生振动，从而可以识别它们的类型。例如，三键的振动与单键的振动"听起来"不同，与另一个碳原子结合的碳原子的振动与与氮原子结合的碳原子的振动听起来不同。这与训练有素的吉他手通过聆听吉他发出的音色，就能分辨出吉他上的哪根弦被拨动以及它是由什么材料制成的并无二致。化学助理教授兼遗产医学研究所研究员LuWei。资料来源：加州理工学院优势结合Wei说，荧光显微镜允许研究人员观察单个分子，但不能提供丰富的化学信息。另一方面，振动显微镜虽然能提供丰富的化学信息，但只有当被成像的分子大量存在时才能发挥作用。BonFIRE通过将振动与荧光耦合，有效地结合了这两种技术的优势，从而解决了这些局限性。整个过程是这样的：首先用荧光染料对样品进行染色，荧光染料会与要成像的分子结合。然后用红外光脉冲轰击样品，调整红外光的频率以激发染料中的特定键。一旦该键被该光的一个光子激发，第二个能量更高的光脉冲就会照射到该键上，并激发它发出显微镜可以检测到的荧光。这样，显微镜就能对整个细胞或单个分子进行成像。未来展望这项研究的合著者、化学博士后学者助理研究员王浩敏说："我们对这种光谱学过程非常着迷，很高兴能将其转化为现代生物成像的新型工具。在过去的三年里，我们一直在冒险建造我们的定制BonFIRE显微镜，并对这一光谱过程有了更深入的了解，这进一步帮助我们优化了设置中的每个组件，从而达到了现在的性能。"在论文中，科学家们还展示了用"颜色"标记生物分子的能力，使它们能够相互区分。这是通过使用组成染料分子的原子的几种同位素来实现的。(同位素是一种元素的不同形式，由于其原子核的中子数目有多有少，因此原子量也不同）。它们的键振动频率会随着原子质量的增减而变化。Wei说："传统的荧光显微镜一次只能分辨出少数几种颜色，而BonFIRE则不同，它利用红外光激发不同的化学键，产生彩虹般的振动颜色。可以同时对同一样本中的许多不同目标进行标记和成像，以令人惊叹的细节揭示生命分子的多样性。我们希望能在不久的将来展示活细胞中数十种颜色的成像能力。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1378319.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1378319.htm