近一个世纪前，显微镜技术的一次突破为科学家提供了全新的观察细胞内部的方式。称为相位对比的技术使得之前微弱或几乎不可见的细胞结构更易于区分。它的重要性在1953年获得诺贝尔奖的认可。现在，加州大学伯克利分校的物理学家们将同样的原理应用于电子显微镜技术，这种技术能够将物体放大大约10,000倍，远超传统光学显微镜。研究人员开发了一种称为激光相位板的装置，可能显著改善冷冻电子显微镜（cryo-EM）。这种强大的成像方法在过去十年中彻底改变了蛋白质结构的研究，并加速了药物发现。尽管如此，它仍然有一个主要局限性：大多数人类蛋白质非常小，因此获取它们的清晰图像依然极其困难。这种新的激光技术可能有助于克服这一障碍，潜在地使科学家能够成像与当前显微镜所面临挑战的蛋白质大小相当的三分之一甚至更小的蛋白质。冷冻电子断层扫描（cryo-ET）的改进可能产生更大的影响。这种更新的方法结合从多个角度捕获的图像，以构建蛋白质和其他分子的三维视图。与在溶液中研究孤立分子的技术不同，cryo-ET能够揭示蛋白质在其自然细胞环境中的排列和相互作用。加州大学伯克利分校的物理学教授、劳伦斯伯克利国家实验室的科研人员霍尔格·穆勒说：“冷冻电子显微镜已成为解决生物大分子结构的新兴快速增长的方法，而cryo-ET预计将展示这些分子如何在其自然细胞环境中协同工作。但由于信号与噪声之间的限制，大多数人类和动物蛋白质太小，无法通过这些方法进行分析。激光相位板提供的信号与噪声比的提高预计将克服这些重要的限制。” 一种非凡的激光揭示隐藏的细胞结构 这一突破依赖于研究人员所描述的世界上最强的聚焦连续波激光。激光并不仅仅是照亮样本，它还直接与显微镜的电子束相互作用，改变其相位以增加图像对比度。这一调整使得更容易区分小分子，包括血红蛋白，以及细胞内的结构，如细胞核和线粒体。加州红木城Biohub成像创始技术主管布里奇特·卡尔格尔说：“通过cryo-ET，我们正在观察细胞内数量非常庞大的、极其复杂的细胞材料。就像一片森林，而你要在里面寻找一片树叶。cryo-ET需要在对比度上有显著的进步，以便我们能够开始看到细胞内部发生的事情。这正是激光相位板承诺要给我们的。”在Biohub的资金支持下，穆勒获得了一台先进的冷冻电子显微镜，并配备了新的激光相位板。他将这个显微镜命名为“泰亚”（Theia），这是与光和辉煌相关的古希腊女神的名字。同时，卡尔格尔正在指导在Biohub的成像设施建设一个相关的显微镜。她团队的仪器使用两台激光而不是一台，基于穆勒及其合作者的理论研究。这两束激光以直角排列，每个激光的功率约为一半。这种配置有助于防止组件过热，同时减少可能干扰图像质量的光学失真。两个研究团队都与冷冻电子显微镜仪器的领先制造商Thermo Fisher Scientific合作。穆勒表示：“泰亚显微镜是一级方程式显微镜。它具有额外的电子光学，甚至在没有激光的情况下就提供比标准冷冻电子显微镜更好的分辨率。加上激光相位板，我们希望它真的能成为全球最优秀的仪器。”伯克利团队的最新图像和技术发现已发表在《科学》杂志上。关于Biohub的双激光设计的细节可在最近发布的预印本中获得。 诺贝尔奖获奖发现如何改变显微镜技术 为了理解新技术为何重要，回顾生物成像中的一个长期挑战是有帮助的。由于植物和动物细胞主要由水组成，因此在普通光学显微镜下查看时相对透明。尽管这种透明性看似有益，但它也带来了问题。小的细胞结构，包括线粒体和细胞核，散射的光非常少，因此在周围材料中仅稍微显得更暗。