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新显微镜捕获生命系统深处细胞的详细三维电影

通过结合两种成像技术,科学家现在可以观察到前所未有的三维细节,因为癌细胞爬行,脊髓神经回路连接,免疫细胞穿过斑马鱼的内耳。

科学家用显微镜对活细胞进行了数百年的成像,但最清晰的观点来自玻璃载玻片上的细胞。Betzig说,整个生物体内的大群细胞像一袋大理石一样乱夺光芒。“这引起了一种唠叨的怀疑,即我们没有看到它们处于原生状态的细胞,幸福地沉浸在它们进化的生物体中。”

即使单独观察细胞,最常用于研究细胞内部运作的显微镜通常也太慢而无法跟踪3-D中的动作。Betzig说,这些显微镜用比沙漠太阳强几千到几百万倍的光照射细胞。“这也有助于我们担心我们没有看到自然,无压力形式的细胞。

“人们经常说看见是相信的,但谈到细胞生物学时,我认为更合适的问题是'我们什么时候才能相信我们所看到的?'”他补充道。

为了应对这些挑战,Betzig和他的团队结合了他们在2014年首次报道的两种显微技术,同年他分享了诺贝尔化学奖。为了解读埋藏在生物体内的细胞的光,研究人员转向自适应光学 - 天文学家使用的相同技术通过地球的湍流大气提供远处天体的清晰视野。然后,团队使用晶格光片显微镜快速,轻柔地在3-D中对这些细胞的内部编排进行成像。该技术可快速反复地扫描超薄光线,同时获取一系列二维图像,构建高分辨率的亚细胞动态三维电影。

新的显微镜基本上是三个显微镜合二为一:自适应光学系统,以保持格子光板在生物体内穿透时的薄照明,以及另一个自适应光学系统,可在俯视照明平面时创建无失真图像。以上。通过激光穿过任一通道,研究人员在他们想要成像的区域内创造了一个明亮的光点。这个“导星”图像的扭曲告诉团队沿着任一路径的光学像差的性质。研究人员可以通过对激发侧的像素化光调制器应用相等但相反的失真来校正这些失真,并在检测时应用可变形镜。在大量情况下,随着光线穿过不同的组织,扭曲会发生变化。在这种情况下,

结果为生物学提供了一种令人振奋的新面貌,并揭示了亚细胞水平上繁华的大都市。在显微镜的一部电影中,一个火热的橙色免疫细胞疯狂地蠕动穿过斑马鱼的耳朵,同时掠过沿途的蓝糖颗粒。另一方面,当癌细胞滚过血管并尝试在血管壁上购买时,癌细胞会追踪粘性附属物。

Betzig说,3-D多细胞环境的复杂性可能是压倒性的,但他团队成像的清晰度使他们能够计算“爆炸”组织中的单个细胞,专注于任何特定细胞内的动态,例如重塑细胞分裂过程中的内部细胞器。

Betzig说,如果没有自适应光学系统,很难看到所有这些细节。“这太模糊了。”在他看来,自适应光学是当今显微镜研究中最重要的领域之一,而晶莹光片显微镜,擅长三维实时成像,是展示其力量的完美平台。 。他说,自适应光学还没有真正起飞,因为这项技术既复杂又昂贵,而且直到现在还不值得付出努力。Betzig预测,在10年内,各地的生物学家都会参与进来。

下一个重要步骤是使该技术价格合理且用户友好。“技术示范和出版物并不等同于豆子。应该判断显微镜的唯一指标是有多少人使用它,以及他们用它发现的重要性,“Betzig说。

目前的显微镜填充了一个10英尺长的桌子。“现在这是一个弗兰肯斯坦的怪物,”Betzig说,他将于秋季搬到加州大学伯克利分校。他的团队正致力于开发下一代版本,该版本应该放在一张小桌子上,而且成本可以达到个别实验室的范围。第一个这样的仪器将进入Janelia的高级成像中心,来自世界各地的科学家可以申请使用它。科学家可以用来制作自己的显微镜的计划也将免费提供。最终,Betzig希望晶格显微镜的自适应光学版本将被商业化,就像它之前的基础晶格仪器一样。这可以将自适应光学技术带入主流。

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