通过在荧光显微成像之前增大神经细胞的大小，可以产生高分辨率图像。版权：Arthur Chien/SPL 一种通过超大化细胞以揭示微小细节的技术已经变得非常庞大。科学家使用类似于尿布中所用的聚合物，使生物样本的体积增大到十亿倍——在每个维度上增大1000倍。这种扩展级别可以将个别细胞膨胀到老鼠大脑的大小，将美国一角硬币大小的样本扩展到奥林匹克游泳池的比例。研究人员利用这种技术使用常规光学显微镜绘制氨基酸（蛋白质的构建模块）在蛋白质和被称为肽的小分子中的位置。这种方法在本月早些时候发布在bioRxiv上的一篇预印本中进行了概述1。以前，以如此精细的细节观察分子通常需要使用成本高昂且复杂的技术，如低温电子显微镜（cryo-EM）和X射线晶体学。“这是结构生物学的普及化，”研究共同作者、德国哥廷根大学医学中心（UMG）神经科学家和成像专家Silvio Rizzoli说。“这真的是把蛋白质是什么的基础事实描述搞得很清楚，”共同作者、麻省理工学院生物工程师Helena Hu补充道。扩展显微镜 物理法则限制了光学显微镜的光学能力：相距约200纳米的物体无法区分。‘超分辨率’光学显微镜技术，通常依赖光学技巧和昂贵的设备，已将这一分辨率限制缩小到10纳米以下。2015年，麻省理工学院神经工程师Edward Boyden（本研究的共同作者）及其同事发明了一种使用普通荧光光学显微镜获得极高分辨率的替代方法2。使用膨胀的水凝胶，研究人员将组织样本在每个方向上扩展了约四倍。这使细胞成分彼此远离，从而提高了分辨率。此后，研究人员已调整Boyden的'扩展显微镜'方法，以将样本扩展到更大的体积，但膨胀通常仅限于约20倍的大小增加。为了更大，研究人员开发了一种新的水凝胶配方，使样本多次扩展。团队还采用了一种称为ONE显微镜的扩展显微镜方法3，以使用光学显微镜绘制蛋白质结构。纯化的蛋白质与水凝胶结合，然后使用酶或热量将其分解，使蛋白质被拉开而不影响其三维形状。巨型蛋白质 通过其1000倍扩展方法，研究人员标记了组成称为mCLING的肽的九种氨基酸中的若干个。然后，他们使用荧光显微镜成像这些构建模块的相对位置。这些测量与通过计算模拟导出的mCLING结构一致。该方法还揭示了一种称为纳抗体（抗体的小版本）的蛋白质的结构，以及一些氨基酸的位置。此外，研究人员还利用该技术绘制了先前确定的绿色荧光蛋白（GFP）的结构，这是用于标记其他蛋白质的生物技术主力军。扩展显微镜开启了探索更多挑战的大门 研究人员估计，他们对GFP的模型——从数千个快照重建——达到了约1.2纳米，即12埃的分辨率。这远低于1.9埃的GFP结构，该结构在公共仓库中可用，并且是通过X射线晶体学确定的，也低于科学家们使用cry-EM通常获得的细节水平。但是，联合作者、UMG的纳米级专家Ali Shaib说，在未发表的工作中，方法学上的改进使纯化蛋白质的分辨率降至10埃以下。Rizzoli指出，团队现在能够在约10埃的范围内确定仍在细胞内的蛋白质的形状。“我们正在试图用廉价的光学显微镜创建像cry-EM那样的结构，”Shaib说。