2020/12/13 信息來源： 化學與分子工程學院
編輯：悠然 |2020年12月7日，北京大學化學與分子工程學院、北大-清華生命科學聯合中心陳興教授課題組在《自然-方法》（Nature Methods）雜誌在線發表了題為「Click-ExM enables expansion microscopy for all biomolecules」的研究論文，報導了基於點擊化學的膨脹顯微成像技術（Click-ExM），提供了一種通用、便捷的策略對各種生物分子進行超分辨螢光成像。
「工欲善其事，必先利其器」。探尋生命的奧秘，首先需要看得足夠清楚。然而由於光學衍射極限的限制，常規的螢光顯微鏡難以對精細的亞細胞結構進行分辨。超分辨螢光成像技術，使人們能夠看清在200nm以內的生物分子。不過這些技術通常依賴於昂貴的儀器和精密的算法，而且在組織樣品中的成像性能一般。
膨脹顯微成像技術（Expansion microscopy，ExM）則從樣品製備入手，繞過了光學衍射極限，實現了讓超分辨螢光成像「飛入尋常百姓家」。整個流程中首先將丙烯酸鹽充滿整個生物樣品內部，並使其聚合形成凝膠。凝膠吸水膨脹後，原本臨近的生物分子被拉遠，但相對位置保持不變。因此利用常規的螢光顯微鏡對膨脹後的樣品進行成像，同樣可實現超分辨的成像效果。然而目前的ExM技術缺乏一種普適性的在凝膠中錨定生物分子的策略，因此其應用範圍局限於蛋白質、核酸，無法對脂質、聚糖以及小分子等生物分子進行成像。
Click-ExM的工作流程（以炔基標記的生物分子為例）
Click-ExM的設計理念是利用帶有生物正交官能團（如疊氮、炔基等）的化學探針對細胞進行代謝標記，通過點擊化學連接上生物素，再基於生物素與鏈黴親和素相互作用，最終將被標記的生物分子轉變為偶連螢光分子的鏈黴親和素。偶連螢光分子的鏈黴親和素在其中起到了三方面作用：識別生物分子、報告螢光信號、錨定到凝膠中。
作者採用了多種含有生物正交官能團的化學探針，對脂質、聚糖、蛋白質、核酸、小分子等多種生物分子進行Click-ExM成像，並將該技術應用於原代細胞和腦組織切片等生物體系中，其中首次實現了對多種脂質、聚糖以及小分子的ExM成像。同時，由於Click-ExM技術與傳統的ExM流程兼容，因此可與多種現有的標記方法相結合，實現多色螢光成像。此外，由於樣品膨脹會稀釋螢光分子的濃度，作者還利用鏈黴親和素的多價相互作用，開發出信號放大策略，有助於成像低豐度的生物分子。值得一提的是，Click-ExM技術中各步均為模塊化設計，且大部分化學試劑可商業化購買，不需要繁瑣的化學合成和步驟優化，因此有希望被廣泛應用於後續的生物學研究中。
總之，該工作利用了前沿的化學生物學手段，建立了一種通用型的ExM技術：Click-ExM，並拓展了其在超分辨螢光成像領域中的應用。
陳興為該研究論文的通訊作者，北京大學化學與分子工程學院2016級博士研究生孫德恩為第一作者。該工作中的部分化學探針、細胞和組織樣品製備分別在北京大學雷曉光、王世強、饒毅教授課題組進行。該研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、北大-清華生命科學聯合中心和北京分子科學國家研究中心的資助。