如今,科學家們已經研發了多種超解析度技術,遠遠超出了衍射J限,能夠觀察到分子尺度的細節。SRM技術可以將細胞結構解析為亞細胞水平,從而獲取有關細胞組分的3D結構的信息,並可以觀察到單分子共定位。
下面我們來簡要概述了時下幾種zui流行的SRM技術的原理:
1.受激發射耗竭(STED)顯微鏡
STED對於有經驗的螢光顯微鏡使用者來說相對簡單,該方法和普通共聚焦顯微鏡(Confocal)的原理相同。普通Confocal使用單光源,而STED使用雙光源。其中一個光源發射能激發螢光團——螢光標籤(研究者們以此來定位和觀察蛋白)的光,另一個光源發出不同波長的光,用於抑制螢光。這束光是環形的,並且與束光有所重疊,因此只有環形中間區域的分子會繼續發出螢光。
獲得STED超解析度圖片並沒有那麼複雜,用戶需要仔細調整參數,才能得到漂亮的結果,否則所得圖片和普通confocal沒有差別。
使用傳統和RESCue受激發射減損顯微鏡(STED)得到的細胞核膜上核孔複合體的圖片。
STED的原理:
顯微鏡透鏡對光的衍射會導致來自單個點的光出現在較大的區域,這稱為點擴散函數(PSF)(見圖1),由於PSF的存在,使得常規顯微鏡無法達到超分辨。
圖1:在普通光學顯微鏡中,成像是通過將來自點光源的光線會聚到像平面上的單個點來實現的。超出光衍射的限制,防止了射線的較精確會聚,從而導致物體的圖像模糊。顯微鏡的解析度取決於點擴散函數(PSF)的大小,或對象在某個點的三維強度分布。在STED中,應用環形炸彈耗盡型雷射器,其零點與激發雷射焦點的zui大值重疊。STED雷射器引起螢光的「飽和耗盡」,從而「抑制了來自零點附近區域的螢光,導致有效PSF的尺寸減小」。
而受激發射耗竭(STED)顯微鏡通過限制樣品的螢光區域(PSF)產生超解析度圖像。STED顯微鏡使用兩個重疊的雷射,個按照常規顯微鏡激發螢光團(圖2A)。第二個雷射器稱為耗盡雷射器(STED雷射器),它激發「甜甜圈」形狀的雷射,其中心的零強度點非常小(〜30 nm)(未激發)。除了在甜甜圈的中心處之外,第二雷射起到了「關閉」雷射所產生的外圈螢光,從而將樣本激發的螢光分子範圍縮小到中心圓點處,這有效地降低了PSF,以產生非常小的單分子螢光聚焦區域,從而獲得高解析度圖像(圖2D)。
圖2:
1.單個小於250 nm的蛋白質無法通過標準共聚焦成像解析,從而導致圖像模糊
2.STED耗盡雷射器產生了淬滅外圍螢光的「甜甜圈」
3.飽和耗盡在功能上降低了激勵PSF
4.隨之可以解析單個蛋白質
適用於STED的螢光團偶聯抗體:
為了獲得超解析度,染料必須具有STED雷射波長的高發射截面,並有效地實現高飽和度。這種強烈的照明確保了所有被STED雷射「關閉」的分子都受受激發射的支配。合適的染料應具有低的光漂白性,具有高的量子產率和對比度,並在目標附近具有足夠的標記密度。
Jackson提供螢光染料標記的二抗,下列染料標記的二抗已被驗證在STED中成功使用: AlexaFluor®488(如:115-545-003),FITC(如:715-095-150),AlexaFluor®594(如:715-585-151)和AlexaFluor®647。
2. 隨機光學重建顯微鏡(STORM)
zui有名的「基於探針」的技術是Betzig等人研發的光激活定位顯微技術(photoactivated localization microscopy, PALM)和哈佛大學莊小威實驗室發明的隨機光學重建顯微技術(stochastic optical reconstruction microscopy, STORM)。zui初所有的螢光標籤都是暗的。然後使用雷射脈衝來激活一小部分螢光標籤,隨後使用另一束光來關閉這些螢光標籤。不斷重複這個過程,生成一系列部分螢光圖,zui後重建成整個視野的螢光圖。,以產生解析度優於常規方法收集的圖像。
使用超解析度隨機光學重建顯微鏡(stochastic optical reconstruction microscopy,STORM),科學家首次觀察到了神經元軸突的細胞骨架。
Jackson提供適用於dSTORM應用的標記二抗,簡而言之,較低強度的激發光激發樣品,隨機激活少量染料分子。單個發螢光的染料分子足夠分散,因此可以計算其點擴散函數的中心,從而推斷出染料的確切位置。然後使用第二雷射關閉所有分子,並重複該過程。然後,通過重疊每種染料的所有映射點擴展函數,以數學方式生成高解析度圖像。
用於單分子定位實驗的螢光團偶聯抗體
用於單分子定位的zui佳染料通常非常亮,並產生足夠的光子以可靠地產生緊密的高斯分布。Jackson ImmunoResearch提供了多種廣譜範圍內的可靠染料,例如AlexaFluor®488,AlexaFluor®647和Cy™5,可用於這些類型的實驗。
建議用於超解析度顯微鏡的螢光染料偶聯物:
每種SRM技術都有各自的探針選擇要求,Jackson ImmunoResearch提供多種已知在SRM應用中表現良好的螢光標記二抗。應該注意的是,SRM領域變化迅速,因此,建議從專業技術文獻中尋求信息,以幫助選擇合適的螢光團。