顯微鏡是人類歷史上的偉大發(fā)明之一，在整個(gè)顯微鏡的發(fā)展史上有兩次重大突破，分別是光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡的發(fā)明。

現(xiàn)在，顯微技術(shù)領(lǐng)域可能正迎來第三次革命——“DNA 顯微鏡”問世！

2019 年 6 月 20 日，CRISPR 基因編輯重要貢獻(xiàn)者張鋒教授及其霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）的同事，在 Cell  雜志發(fā)表重磅成果，他們開發(fā)出一種全新的 “DNA 顯微鏡”，可以建立細(xì)胞的圖像，同時(shí)收集大量的基因組信息。

人類顯微視角進(jìn)入新疆域

基于光學(xué)的顯微鏡，可以追溯到 17 世紀(jì)，它打開了人類對微觀世界的認(rèn)識。光學(xué)顯微鏡主要依靠可見光照射樣本，通過一組透鏡組合來放大物品。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，光學(xué)顯微鏡的發(fā)明是一項(xiàng)革命性的技術(shù)突破，令我們認(rèn)識到生命體的基本單位為細(xì)胞，同時(shí)大大助力人類對疾病的認(rèn)知與防治，比如青霉素的發(fā)現(xiàn)。

之后科學(xué)家們又對光學(xué)顯微方法進(jìn)行了反復(fù)升級，甚至超越了可見光譜。

1913 年恩斯特·魯斯發(fā)明的電子顯微鏡，更是將顯示水平拉到原子級別。它讓研究人員可以在原子水平去了解生理學(xué)過程及單個(gè)分子的結(jié)構(gòu)。

如今，科學(xué)家已經(jīng)可以使用光、x 射線和電子來觀察組織和細(xì)胞內(nèi)部。

大家熟悉的電子顯微鏡、熒光顯微鏡、薄層顯微鏡，它們都是基于探測樣品發(fā)射光子或電子的原理進(jìn)行觀測的。通過這類顯微鏡，科學(xué)家們可以追蹤大腦中類似絲狀的神經(jīng)纖維，甚至可以觀察活的老鼠胚胎如何產(chǎn)生原始心臟的跳動細(xì)胞。

然而，這些顯微鏡都無法看到在基因組水平的細(xì)胞中發(fā)生了什么。

為了對核酸水平進(jìn)行直接觀測，實(shí)驗(yàn)室及臨床中大多依賴分子探針技術(shù)，即將與待觀察核酸互補(bǔ)的堿基對導(dǎo)入細(xì)胞中，利用堿基互補(bǔ)配對原則標(biāo)記待測核酸，再通過熒光等其他顯色物質(zhì)來顯示待測核酸。這種間接方法雖能令研究者觀測核酸，但其標(biāo)本制備過程繁瑣，耗時(shí)耗力。

而此次張鋒教授研發(fā)的 DNA 顯微技術(shù)，通過獨(dú)特的成像模式，采用特殊的成像原理，可將物理圖像編碼 DNA，先利用標(biāo)記核酸的”堆疊“編碼每一種核酸，再采用數(shù)據(jù)分析”投射“其物理圖像，從而實(shí)現(xiàn)對基因組的直接觀測。

圖 | DNA 顯微技術(shù)顯像原理

最新的 DNA 顯微技術(shù)顯像原理與我們想象中的可能不同，并不是直接對 DNA 鏈進(jìn)行顯示。這是由于 DNA 中的每個(gè)堿基分子在每個(gè)細(xì)胞內(nèi)存在的數(shù)量十分微小，哪怕我們直接標(biāo)記，也很難直接觀測到其標(biāo)記信號。

因此，張鋒教授的研究團(tuán)隊(duì)采用了一個(gè)十分巧妙的方法來解決這一問題，他們采用了”堆疊“分子的化學(xué)合成法。

首先，研究人員將待測細(xì)胞滴在載玻片上，并進(jìn)行相應(yīng)的固定。隨后，往細(xì)胞內(nèi)注入各種各樣的 DNA 標(biāo)記物（這里用的是 cDNA 片段），這些 DNA 標(biāo)記物會連接到與其互補(bǔ)的 RNA 分子上，使其具有唯一的標(biāo)簽。

但到此為止，我們還是不能直觀地觀測基因組，所以化學(xué)合成法派上用場了，研究人員以這些導(dǎo)入的 DNA 標(biāo)記物為模板，大量擴(kuò)增其副本，使每一個(gè)標(biāo)記核酸都掛著”一大堆標(biāo)記副本“，這樣通過”分子堆疊“就使的相鄰的標(biāo)記分子相互碰撞，進(jìn)而使它們連在一起。

該研究的主要負(fù)責(zé)人之一 Joshua A. Weinstein 教授表示，可以把每一個(gè)分子想象成一個(gè)向外發(fā)射自己信號的無線電發(fā)射塔。靠的越近，那么就可以產(chǎn)生更多的 DNA 對，”分子堆疊“效應(yīng)更明顯，反之，靠的越遠(yuǎn)，這些 DNA 對越少，”分子堆疊“效應(yīng)更弱。

在這一過程進(jìn)行大約 30 個(gè)小時(shí)后，研究人員就拼湊出識別每一堿基的”分子堆“，然后該團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算機(jī)算法解析這些”分子堆“信號，將原始樣本中的約 5000 萬個(gè)基因的堿基序列轉(zhuǎn)化為圖像，進(jìn)而使實(shí)驗(yàn)者在光學(xué)顯微鏡下觀測樣本基因組信息。

參與本項(xiàng)研究的霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員 Aviv Regev 表示，捕捉這樣一個(gè)細(xì)胞的完整圖像不需要昂貴的顯微鏡或很多昂貴的設(shè)備，只需要樣本和一根”吸管“就夠了。

圖 | 序列編碼顯示圖（其中紅光為 RFP、綠光為 GFP、白光為 GAPDH）(來源：Cell)

可能引發(fā)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重大突破

在 DNA 顯微技術(shù)原理及設(shè)備制備完成后，研究人員利用幾個(gè)我們熟知的基因?qū)?DNA 顯微技術(shù)的顯示效果進(jìn)行了驗(yàn)證。研究人員選擇了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中最常用的幾種標(biāo)記蛋白，研究發(fā)現(xiàn)，DNA 顯微技術(shù)能夠很好地重建普通熒光顯微鏡捕捉的細(xì)胞圖像。

圖 | 熒光顯微鏡圖像與 DNA 顯微鏡對比（圖 A、B 為熒光顯微鏡，D 為 DNA 顯微鏡）(來源：Cell)

Weinstein 教授表示，”你基本上能夠完全重建你在光學(xué)顯微鏡下看到的東西。這兩種方法是互補(bǔ)的。光學(xué)顯微鏡可以很好地看到分子，即使它們在樣品中稀疏，DNA 顯微技術(shù)在分子密集時(shí)，甚至在分子堆疊時(shí)，其也擁有十分出色的顯示效果?！?/span>