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Finally, a way to see molecules ‘wobble’

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六年前,诺贝尔化学奖被授予三位科学家,以表彰他们找到解决方法。可视化单个分子的路径在活细胞内。

现在,研究人员在?罗切斯特大学和?萧十一郎剧情 法国菲涅尔研究所?找到了一种更详细地可视化这些分子的方法,以3D方式显示它们的位置和方向,以及它们如何摆动和振动。这项工作可能对涉及的生物学过程提供宝贵的见解,例如,当细胞及其调节其功能的蛋白质与引起COVID-19的病毒发生反应时。

一个新的显微镜系统可以使用3D图像对单个分子进行成像,并捕获它们“摆动”的方式,该系统使用了罗切斯特大学光学科学家开发的特殊设计的玻璃板。图片来源:罗切斯特大学照片/ J. Adam Fenster

菲涅耳研究所所长Sophie Brasselet说:“当蛋白质改变形状时,它会暴露出其他能增强生物过程的原子,因此蛋白质形状的改变会对细胞内的其他过程产生巨大影响。” ?米格尔·阿隆索?和?托马斯·布朗,罗切斯特的两位光学教授。

这项技术的昵称为CHIDO(在“带有抖动和方向的坐标和高度超分辨率成像”中),该技术在?自然通讯。 CHIDO由Brasselet小组的博士生Valentina Curcio和Alonso小组的博士生Luis Aleman-Castaneda设计并建造,CHIDO在确定参数时精确到“几十纳米的位置和几度的取向”。研究人员报告说。

使用一块玻璃板,玻璃板在其整个外围都受到均匀的应力作用,它可以产生并推断出在荧光显微镜下观察分子时发生的波长振荡和偏振变化。这项新技术将单个分子的图像转换为扭曲的焦点,该焦点的形状比以前的测量工具直接编码更精确的3D信息。实际上,CHIDO可以产生具有所有可能偏振态的光束。

布朗说:“这是光学的美丽之一。” “如果您有可以使用的设备?创造几乎任何极化状态下,您都拥有可以做到的设备?分析“几乎任何可能的极化状态。”

玻璃板起源于布朗的实验室,这是他长期以来对开发具有异常偏振光的光束感兴趣的一部分。极化理论专家阿隆索(Alonso)与布朗(Brown)合作,完善了这种“非常简单但非常优雅的设备”并扩大了其应用范围。在访问马赛期间,阿隆索向荧光和非线性成像新型仪器专家Brasselet介绍了该板。 Brasselet立即建议在她正在研究单个分子成像的显微技术中可能使用它。

“这是一个非常互补的团队,” Brasselet说。

制作20年

1873年,恩斯特·阿贝(Ernst Abbe)规定,显微镜永远无法获得比光波长的一半更好的分辨率。这种障碍一直存在,直到诺贝尔奖获得者埃里克·贝齐格和威廉·默纳(用他们的单分子显微镜)以及斯蒂芬·海尔(用他的受激发射损耗显微镜)找到了绕过它的方法。

诺贝尔委员会在2014年报道说:“由于他们的成就,光学显微镜现在可以进入纳米世界。”

布朗说:“诺贝尔奖和随后几年的工作所缺少的是不仅能够准确知道分子的位置,而且能够表征其方向,尤其是其在三个维度上的运动的能力,”布朗说。

实际上,Brown,Alonso和Brasselet现在描述的解决方案起源于20年前。

从1999年开始,布朗和他的一名博士研究生凯瑟琳·扬沃思(Kathleen Youngworth)开始研究异常光束,这些光束表现出不同寻常的偏振态,即光波的方向。 。

Youngworth在桌面上演示,当紧密聚焦时,光束会表现出指向三维方向几乎任何方向的偏振分量。

另一位博士候选人Alexis Spilman Vogt随后与Brown合作,通过向玻璃圆柱体的边缘施加压力来创建相同的效果。布朗的姐夫罗伯特·桑普森(Robert Sampson)是一位熟练的工具和模具专家,他被要求制作一些样品并将它们安装在金属环中,以用于共聚焦显微镜。

这涉及到加热玻璃和金属环。布朗说:“金属加热时,金属的膨胀速度比玻璃快。因此,您可以将玻璃和金属加热到很高的温度,将玻璃插入金属的中间,然后冷却金属。会收缩并在玻璃的外围产生巨大的力。”

桑普森无意间施加了比其中一块板更大的应力。一旦他的姐夫将其交给他,布朗便知道该印版具有非同寻常的品质。罗切斯特(Rochester)小组引入了“应力工程光学”一词来描述元素,随着他们对物理行为和数学的更多了解,他们意识到窗户可能是解决显微镜新问题的途径。

那就是现在的CHIDO的起源,巧合的是,墨西哥人用它来表达“酷”。

“当时,我和亚历克西斯(Alexis)知道,这种应力工程玻璃很有趣,并且可能会有用。当时我们只是不知道它们可能是什么。”布朗说。现在,由于他与Alonso和Brasselet的合作,他希望CHIDO将“吸引”该领域其他研究人员的想象力,他们可以帮助进一步完善和应用该技术。

资源:罗切斯特大学

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