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客户成就 | Science:引领光电联用新纪元揭示亚细胞三维超微结构

客户成就 | Science:引领光电联用新纪元揭示亚细胞三维超微结构

  • 分类:ZEISS
  • 作者:
  • 来源:蔡司显微镜 公众号
  • 发布时间:2020-05-07
  • 访问量:0

【概要描述】诺贝尔奖得主Eric Betzig领导团队在Science杂志以封面文章形式重磅推出新型冷冻超高分辨率光学显微镜-3D电镜光电联用技术,揭示亚细胞三维超微结构。

客户成就 | Science:引领光电联用新纪元揭示亚细胞三维超微结构

【概要描述】诺贝尔奖得主Eric Betzig领导团队在Science杂志以封面文章形式重磅推出新型冷冻超高分辨率光学显微镜-3D电镜光电联用技术,揭示亚细胞三维超微结构。

  • 分类:ZEISS
  • 作者:
  • 来源:蔡司显微镜 公众号
  • 发布时间:2020-05-07
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     年初,诺贝尔奖得主Eric Betzig领导团队在Science杂志以封面文章形式重磅推出新型冷冻超高分辨率光学显微镜-3D电镜光电联用技术,揭示亚细胞三维超微结构。

 

  01    何为光电联用?

 

光电联用,顾名思义,就是将同一样品的光镜图像和电镜图像进行关联的图像采集和处理技术。光学显微镜的重要优势体现在其强大的多色荧光标记检测能力以及快速活体多维成像能力;而电子显微镜能提供高分辨率,但其对特异蛋白的标记能力差,多个蛋白标记更是难上加难,且3D图像采集速度慢,无法观察活体。为了整合光镜和电镜的优势,光电联用技术应运而生,如今可谓方兴未艾。

 

早期的2D光电联用技术只能应用于较薄的组织和细胞,形式大于内容,远不能满足当今生命科学研究的要求。生物样品必然具有三维结构,光切显微镜和3D电镜技术都是为解析生物体三维结构服务的,然而将光电联用技术推广到三维层面是个全新挑战。Eric Betzig团队利用自搭建的超高分辨率光学显微系统,结合蔡司X射线显微镜(点击查看)以及蔡司双束电镜(点击查看)双束场发射3D电子显微镜,为广大科研工作者提供了一个理想高效的3D光电联用方案。

▲图1:完整COS-7细胞Cryo-SMLM和FIB-SEM的关联图


 

  02   冷冻技术的妙用

 

冷冻技术的应用是全文的灵魂。Eric Betzig团队将冷冻技术作为重要桥梁,较好的整合了光学超高分辨技术和3D电镜技术。冷冻技术解决了细胞或组织的固定问题
 

任何固定剂的使用都不可避免的会引入赝像,而适用于光镜超高分辨率成像和3D电镜成像的固定条件又不尽相同。为此,Eric Betzig团队另辟蹊径,选择利用冷冻固定的方式,最大程度保存样品的原始状态,同时电镜的染色和包埋也可以在低温下顺利进行,因此这不失为是一个两全其美的办法。

低温还对光学超高分辨率成像益处良多
 

由于共聚焦显微镜和电子显微镜分辨率差距悬殊,在光电联用的过程中光镜图像就显得过于粗糙了。值得庆幸的是,当今单分子荧光技术将光学显微镜分辨率推进到了20nm,大大提升了荧光定位的准确性。对于很多荧光分子来说,低温可以增加其暗态的寿命同时提高其成像信噪比。这一优点特别适用于提高单分子荧光成像的准确度。除此之外,Eric Betzig团队已经不满足于利用液氮来实现低温,而是进一步探索利用液氦将温度降低至8K,并且在8K条件下筛选到了2两种成像效果显著提升的染料分子。

▲图2:过氧化物酶体的形态以及与其它膜结构的相互作用


 

简而言之,液氦冷冻技术不仅可以提高荧光显微镜的成像效率,还可以作为桥梁将光镜制样和电镜制样偶联在一起。


 

Eric Betzig团队对这一技术进行了多方面的验证,分别利用Cryo-SIM和Cryo-SMLM显微镜与FIB-SEM进行联用,获得了大量从未观察到的生物学现象。例如,对完整细胞进行3D光电联用后,作者发现了一些核内的小泡携带ER maker(图1); 过氧化物酶体随着体积增大形态不规则性增加(图2);小脑颗粒神经元的网状连接系统(图3),等等。其中双色Cryo-SMLM-FIB-SEM对单个完整细胞关联的精度高达40nm。

▲图3:Cryo-SIM/FIB-SEM揭示小脑颗粒神经元中核内结构的分布变化


 

  03   蔡司提供光电联用优质解决方案

 

所谓3D电镜技术主要分为两种,一种是基于连续切片技术,另一种是基于双束扫描电镜(FIB-SEM),后者的Z轴分辨率显著高于前者,尤其适合于在细胞器尺度上进行三维重构。Eric Betzig团队利用蔡司双束电镜完成了所有3D电镜图像采集。
 

蔡司双束电镜以其高灵敏的低电压成像、超长的稳定工作时间和超大视野成像等优势备受研究者的青睐。蔡司双束电镜的扫描电镜部分基于热场发射,其中独特的Gemini镜筒内电子束加减速设计大大降低了电子束能量,同时保证了电子束的质量,进而保证了成像质量。对于生物样品来说,低电压高衬度成像对样品结构的保护起到至关重要的作用。
 

值得一提的是,为了确定双束显微镜挖掘的精确深度,本文作者利用蔡司X射线显微镜对树脂块进行三维扫描,寻找感兴趣的区域,确定其三维坐标。蔡司X射线显微镜拥有独特的两级放大技术,可实现大样品的高分辨率成像,为光电联用架起了一座桥梁。
 

蔡司贯穿超分辨显微镜、3D电镜和X射线显微镜的完整产品线为光电联用的应用提供了得天独厚的条件。在蔡司平台下,各款仪器的软件和附件兼容性高,光电联用实际操作将会成为令人轻松愉快的体验。

 

蔡司超高分辨率显微镜 蔡司X射线显微镜  蔡司双束显微镜

 

 

 

参考文献:

D. P. Hoffman et al., Science 367, eaaz5357 (2020). DOI: 10.1126/science.aaz535

 

文章转载自蔡司官方微信公众号“蔡司显微镜”。 

 

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发布时间:2020-04-28 00:00:00

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