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如何高效捕捉细胞内纳米分子的运动

 
撰文 | Kuancai Chen 刘贵
责编 | 叶水送
 
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最近,中美学者开发自动五维单颗粒追踪新方法,实现金纳米棒内吞运输全过程的取向和旋转追踪。
 
来自佐治亚州立大学方宁教授课题组和华中科技大学夏天教授课题组合作开发的自动五维(三维空间的运动加上两个方位角)单颗粒追踪新方法,发表在10月12日的《自然-通讯》杂志上。
 
该方法被用于自动追踪运铁蛋白(Transferrin)修饰的金纳米棒从接触细胞表面到通过网格蛋白介导的内吞(Clathrin-mediated endocytosis)到细胞内部并被运输的全过程,并同时精确地获取金纳米探针的取向和旋转信息。
 
一个细胞可被视为许多分子马达(molecular motors)在多层面上协同工作的工厂。充分理解这些纳米级的分子机器的工作机制要求我们获取相关的平移和旋转动力学知识。然而,关于在活细胞里的旋转动力学的认知至今仍然非常有限,所以需要通过设计和使用新的工具来拓展实验,并结合计算机模拟来解释这些实验现象。
 
佐治亚州立大学方宁教授课题组致力于通过发展和使用新型的光谱成像平台来开拓化学和生物学研究的新前沿,为单分子和单纳米颗粒实验提供超衍射极限的空间分辨率、高角度分辨率、卓越的检测极限和纳米级别的定位精度。贵金属纳米颗粒在化学、生物学和医学领域正逐渐成为荧光探针的重要替代品。金纳米棒由于具有各向异性,表面等离子共振光学特性,很高的吸收和散射截面积,优良的生物相容性和化学稳定性而被广泛应用于生物成像领域。它们既不会像荧光探针那样被光漂白,在合理的光照强度下,也不会呈现光饱和。通过调节颗粒的大小和形状,其表面等离子共振的吸收和散射波长在可见光到近红外区域内可调,而生物组织在这个区间是相对透明的。
 
由该课题组开发的,以微分干涉差显微成像(differential interference contrast microscopy)为基础的单颗粒取向和旋转追踪技术(Single Particle Orientation and Rotational Tracking, SPORT)技术, 被广泛地应用于观测各向异性金纳米棒在化学体系和活细胞内的旋转运动,并取得了极高的空间、时间与角度的分辨率。
 
此次发表的自动五维单颗粒追踪法,是对SPORT技术的进一步开发,改进和应用。研究者通过在传统的微分干涉差显微成像后焦面加入梯形棱镜(wedge prism)使一半的光产生偏移并和原始光在同一个相机上产生两个镜像图案的方法形成视差微分干涉差显微成像(parallax-DIC)。通过对两个镜像图案的关联系数的分析计算和其距离差所对应的z轴位置的定位,来精确解析金纳米棒在三维空间的位置。
 
华中科技大学夏天教授课题组基于超高速智能图像处理技术精确地跟踪定位单颗粒在空间中的轨迹,该智能方法同时用于精确追踪金纳米棒在细胞上/内的DIC录像和三维空间位置。另外该智能方法可以通过实时控制高精度压电物镜位移器(Objective Scanner)的位置使物镜一直保持在聚焦位置,从而得到最佳的成像效果以确保高精度的取向和旋转追踪。
 
研究者将该方法运用于自动追踪运铁蛋白修饰的金纳米棒和活细胞的相互作用。与常见的其他三维追踪方法相比,如脱焦成像法等,该技术可以获得更大的追踪范围和更高精度的取向和旋转的追踪,因此该技术对研究纳米颗粒和生物体系作用过程的单颗粒的定位,取向和旋转信息具有更大的潜力。
 
注:本文图片由作者提供以及来自论文。
 
参考文献:
Chen, K.; Gu, Y.; Sun, W.; Bin, D.; Wang, G.; Fan, X.; Xia, T.; Fang, N., Characteristic rotational behaviors of rod-shaped cargo revealed by automated five-dimensional single particle tracking. Nature Communications 2017, 8 (1), 887.
 
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