Cell：张锋团队又创新！“DNA显微镜”将你看透
2019-06-25 苏煜静 生物探索
这个显微镜不一般！无需昂贵的光学设备，只需相应试剂，便可通过细胞自身的遗传物质对细胞进行“拍摄”生成可视化图像。
这个显微镜不一般！无需昂贵的光学设备，只需相应试剂，便可通过细胞自身的遗传物质对细胞进行“拍摄”生成可视化图像。
看，红的像火，粉的像霞，白的像雪。一团团的荧光图像极了朱自清笔下的《春》。这张图不是春景确胜似春景，它的到来预示着我们即将迎来“最美医药四月天”。
近日，张锋所在的团队发明了一种颠覆传统的显微镜。这个显微镜可不一般！无需昂贵的光学设备，只需相应试剂，便可通过细胞自身的遗传物质对细胞进行“拍摄”生成可视化图像。该研究成果发布在《Cell》杂志上。
显微镜家族的新星
说起显微镜人们脑海中总会浮现出他的样子。16世纪末第一台显微镜在荷兰诞生，此后伽利略用显微镜研究昆虫复眼，由此我们打开了微观世界的大门。1931年，“电子显微镜之父”恩斯特.鲁斯卡在生物医学上留下了浓墨重彩的一笔。他带领我们进入到原子的世界。电子显微镜的问世为之后一系列的医学成就奠定了坚实基础。
由于 DNA 中的每个碱基分子在每个细胞内存在的数量十分微小，即便我们直接标记也很难直接观测到其标记信号。
如今，张锋教授所在的团队创造出“DNA显微镜”，可以在构建细胞图像的同时积累大量的基因组信息。
“DNA显微镜”突破了传统显微镜依赖分子探针技术的局限。它与使用光、x 射线和电子来观察组织和细胞内部的方式不同，“DNA显微镜”采用了堆叠分子的化学合成法来显示细胞结构。
首先，研究人员将细胞培养中选定的RNA反转录为cDNA，然后利用独特的核苷酸链（UMI）标记待研究的分子。UMI会连接到与其互补的 RNA 分子上，使其具有唯一的标签。
当然，这还远远不能够直接显示基因组。接下来，科学家们采用化学合成法将化学物质混合在一起。这些化学物质会对这些标签进行多次复制。
随着这些复制品的增多，它们开始偏离原来的位置。当两个游离的DNA分子相遇时，它们连接起来，形成了一个独特的DNA标记。
最后，研究人员将提取并分析细胞中DNA。然后，用算法推断出DNA分子的原始位置从而生成图像。
霍华德.休斯医学研究所Joshua A. Weinstein 教授表示：“从某种意义上说，最初的DNA分子就像无线电发射塔，以DNA分子的形式相互发送信息。研究人员可以探测到一座塔何时与附近的另一座塔通信，并利用塔之间的传输模式来绘制它们的位置。”
震惊的不是技术而是技术带来的广阔前景
与之前大家所熟悉的电子显微镜、荧光显微镜、薄层显微镜工作方法不同。DNA显微镜只需要样本和荧光标记便可显示出细胞的结构。
张锋表示：“每个细胞都有独特的DNA字母或基因型组成，DNA显微镜通过直接从被研究的分子中捕获信息，开辟了一种将基因型与表型联系起来的新方法。”
更重要的是，DNA显微镜与传统显微镜的成像效果不相上下。Weinstein 教授表示：“DNA显微镜与传统显微镜是互补的。光学显微镜可以很好地看到分子，即使它们在样品中稀疏，DNA 显微技术在分子密集时，甚至在分子堆叠时，其也拥有十分出色的显示效果。”
2014年，张锋和Weinstein在美国申请了“通过高通量测序绘制生物分子原位空间和细胞图谱”（Spatial and cellular mapping of biomolecules in situ by high-throughput sequencing）的专利。Weinstein坦言道：“目前更关注的是传播，而不是商业化，当前主要目标是探索重要的生物学领域。”
参考文献：
Joshua A. Weinstein，et al.DNA Microscopy： Optics-free Spatio-genetic Imaging by a Stand-Alone Chemical Reaction.Cell.June 20， 2019.
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