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来自乔治亚理工学院和加州大学旧金山分校的研究人员近日开发了一项新技术，可大大提高科学家们获得运动中的单细胞结构清晰图谱的能力。利用压缩传感鉴别分子，这项新技术为我们提供了必要的空间分辨率以及可能比以前更快的时间分辨率。相关研究论文发布在4月22日的《自然方法》（Nature Methods）杂志上。
尽管在过去的几年里，超分辨率显微镜领域取得了大量的成果，空间分辨率不断提高，然而由于需要高时间分辨率活细胞成像仍是一个挑战。
在这篇文章中，来自乔治亚州理工学院George W. Woodruff机械工程学院的助理教授朱磊（Lei Zhu，生物通音译）和加州大学旧金山分校药物化学系和生物化学与生物物理学系助理教授黄波（Bo Huang，生物通音译）开发出了一种先进的技术，利用超分辨率显微镜解析了相比过去能看到的小一个数量级的细胞元件。这使得研究人员能够挖掘到从前无法触及的信息，解答新的生物学问题。
过去超分辨率显微镜采用的单分子开关（single-molecule-switching）技术主要依赖于将单分子成像稀疏地散布到大量，通常是成千上万的照相机像帧（camera frames）上。它在时间分辨率上极其受限，无法在活细胞中追踪动态过程。
朱磊说：“现在利用我们的成果，使用具有秒或甚至子秒（sub-second）时间分辨率的超分辨率显微镜可以大视野地追踪更多的动态细胞过程。我们对于单细胞生命的知识大部分都来自于我们观察细胞中微小结构的能力。”
黄波指出：“其中的一种应用就是研究细胞的能量工厂线粒体与其他细胞器和细胞生命周期过程中结构重塑的细胞骨架之间的互作机制。”
当前，光学显微镜，尤其是荧光显微镜仍然被许多生物学家经常使用。然而作者们认为传统的光学显微镜有一个主要的局限：由于受到衍射现象的影响，无法解析距离小于半个光波的物体。无论使用多高的放大倍数，衍射均使得成像看起来模糊，相互重叠。
“衍射限制一直以来被视为是光学显微镜的一个基础局限，直到近期发明了超分辨率荧光显微镜技术，”朱磊说。超分辨率显微镜技术，例如随机光重建显微镜 (stochastic optical reconstruction microscopy，STORM)和光敏定位显微镜（photoactivated localization microscopy, PALM），均依赖于记录样品中单个分子的光发射（light emission）的能力。
利用可在可视与不可视状态间转换的标记分子，STORM/PALM可确定每个目的分子的位置。这些位置最终定义结构。
超分辨率显微镜观测单细胞动态
来自乔治亚理工学院和加州大学旧金山分校的研究人员近日开发了一项新技术，可大大提高科学家们获得运动中的单细胞结构清晰图谱的能力。利用压缩传感鉴别分子，这项新技术为我们提供了必要的空间分辨率以及可能比以前更快的时间分辨率。相关研究论文发布在4月22日的《自然方法》（Nature Methods）杂志上。
朱磊和黄波表示新研究成果具有极其重要的意义，因为新技术使得研究人员能够以3秒的时间分辨率追踪微管骨架的动态，从而能够对细胞内小囊泡和其他货物的主动运输开展研究。
使用与常规光学显微镜相同的光学系统和探测器，超分辨率显微镜自然需要更长的采集时间获取更多的空间信息，导致了空间分辨率和时间分辨率之间的权衡。在基于STORM/PALM的超分辨率显微镜技术中，每一个照相机成像都是从样品中非常稀疏的探针分子团中取样。另一种解决的方法就是提高激活荧光基团的密度从而确保每个相机像帧能够获取更多的分子。然而这种高密度的荧光点会导致它们重叠，从而使得这种单分子定位技术无法广泛应用。
作者们说近期有大量的技术被报道可有效获取单分子位置甚至当单荧光基团信号重叠时。这些方法是基于重叠点的适当聚集，用最大可能性估计或贝叶斯统计（Bayesian statistics）扩散方程(PSFs) 可变数量点。
在新研究中，朱磊和黄波提出了一种基于全局优化的新方法，采用压缩传感，无需估计和推断成像中的分子数量。他们证实相比于其他的技术，压缩传感能够兼容更高的分子密度，以三秒的时间分辨率显示活细胞荧光蛋白标记微管成像。
研究人员利用STORM对黑腹果蝇S2细胞中免疫荧光染色的微管成像，利用少至100个照相机像帧通过压缩传感解析了邻近微管，而单分子拟合方法则无法辨别这些结构。他们对稳定表达融合mEos2的tubulin的S2细胞进行了活细胞STROM观测。
以常用相机像帧56.4 Hertz速率，超分辨率影像以3秒（169个像帧）的时间分辨率，60 纳米Nyquist分辨率构成，比以前报道的要快得多。这些结果证实了压缩传感可使得STORM以秒水平，如果能够使用更快速的照相机甚至可以子秒水平的时间分辨率来监控活细胞过程。
（生物通：何嫱）