以前，科學(xué)家們利用傳統(tǒng)意義上的光，X射線和電子顯微技術(shù)來觀察組織和細(xì)胞。今天，科學(xué)家們可以在整個(gè)大腦中追蹤線狀的神經(jīng)纖維，甚至可以看到心臟還在砰砰跳動(dòng)的活體小鼠胚胎。

但是這些顯微鏡無法看到：在基因組水平的細(xì)胞中發(fā)生了什么？

為此，一組研究人員發(fā)明了一種非傳統(tǒng)的成像方法，他們將其稱為“DNA顯微鏡（DNA microscopy，生物通注）”，研究人員利用這種技術(shù)確定了分子在樣品中的相對(duì)位置，而不用于依賴光或任何類型的光學(xué)器件。

這項(xiàng)新發(fā)明公布在6月20日的Cell雜志上，由霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）的張鋒研究員，Aviv Regev研究員領(lǐng)導(dǎo)完成。

文章一作，霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的生物物理學(xué)家Joshua Weinstein表示，通過DNA顯微鏡，科學(xué)家們可以構(gòu)建細(xì)胞圖像，積累大量的基因組信息。 “這為我們提供了另一層我們之前無法看到的生物學(xué)?！?/p>

“這是一種全新的顯微鏡類別，”Regev說，這不僅僅是一種新技術(shù)，而且開創(chuàng)了新的領(lǐng)域，帶來了之前我們從而想到過的事情。

傳統(tǒng)技術(shù)

到目前為止，顯微鏡分為兩大類。第一類是基于光學(xué)，比如光學(xué)顯微鏡就可以追溯到17世紀(jì)，依靠可見光來照亮樣品?？茖W(xué)家們已經(jīng)對(duì)這種方法感到不滿，因此創(chuàng)造了超越可見光譜的技術(shù)，這些電子顯微鏡，熒光顯微鏡等都基于樣品發(fā)射光子或電子的原理。

第二類是基于在顯微鏡定義下的位置解剖樣品，然后，計(jì)算機(jī)程序?qū)⒚總€(gè)解剖的片段拼接成完整樣本的完整圖片。光學(xué)成像可以提供亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和行為的復(fù)雜成像；基于解剖的顯微鏡可以為科學(xué)家提供遺傳信息。

而這篇文章的研究人員想要發(fā)明一種一石二鳥的方法，一次性完成所有這些任務(wù)：拍攝細(xì)胞位置的圖片，并拼出驅(qū)動(dòng)它的特定基因序列。

這種組合對(duì)于研究遺傳多樣性細(xì)胞的科學(xué)家來說非常重要。 免疫系統(tǒng)就是一個(gè)很好的例子。免疫細(xì)胞基因可以變化為單個(gè)DNA字母。每種變異都可以引發(fā)細(xì)胞產(chǎn)生的抗體類型的顯著變化。當(dāng)組織內(nèi)細(xì)胞發(fā)生變化，也可以改變抗體的產(chǎn)生。

如果只能完成其中一項(xiàng)，那就只能得到部分圖片。

工作原理

捕獲一個(gè)完整的細(xì)胞圖片并不需要昂貴的顯微鏡或許多花哨的設(shè)備。最開始你只需要一個(gè)標(biāo)本和一個(gè)移液器。

對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)來說，研究人員首先將實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)的細(xì)胞固定在反應(yīng)室中。然后，他們添加了各種各樣的DNA條形碼，它們“掛在”RNA分子上，給每個(gè)分子一個(gè)獨(dú)特的標(biāo)簽。接下來，研究人員利用化學(xué)反應(yīng)來制作每個(gè)標(biāo)記分子的副本，形成一個(gè)從每個(gè)分子的原始位置擴(kuò)展出來的不斷增長的分子堆。

“可以把每一個(gè)分子想象成一個(gè)向外發(fā)送信號(hào)的無線電塔，”Weinstein說。

最終，標(biāo)記的分子與其他標(biāo)記的分子碰撞，迫使它們成對(duì)連接在一起。彼此靠近的分子更容易碰撞，產(chǎn)生更多的DNA對(duì)。

DNA測(cè)序儀可以拼出樣品中每個(gè)分子的字母，這需要長達(dá)30個(gè)小時(shí)的時(shí)間。之后通過研究人員創(chuàng)建的算法解碼數(shù)據(jù)，在最新研究中，研究人員獲得了來自每個(gè)原始樣本大約5000萬個(gè)基因序列的DNA數(shù)據(jù)，然后將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像。

“這樣就能基本上完全重建你在光學(xué)顯微鏡下看到的東西，”Weinstein說。

這兩種方法是互補(bǔ)的。 光學(xué)顯微鏡可以很好地看到樣品中分布不密集的分子，DNA顯微鏡在分子密集時(shí)也能看清楚，甚至是堆積在一起的分子。

研究人員認(rèn)為，未來有一天DNA顯微鏡可以讓科學(xué)家加速免疫療法治療的發(fā)展，幫助患者免疫系統(tǒng)對(duì)抗癌癥。 這種方法可能潛在地識(shí)別出最適合靶向特定癌細(xì)胞的免疫細(xì)胞。

張鋒表示，每個(gè)細(xì)胞都有獨(dú)特的DNA字母或基因型組成。 “DNA顯微鏡通過直接從被研究的分子中捕獲信息，開辟了一種將基因型與表型聯(lián)系起來的新方法?！?/p>

Regev補(bǔ)充說，這類顯微鏡的可能性是開放的。 “我們希望它能激發(fā)想象力——人們都會(huì)受到之前從未想到過的偉大創(chuàng)意的啟發(fā)?！?/p>

來源：生物通

原文標(biāo)題：

Joshua A. Weinstein et al. “DNA microscopy: Optics-free spatio-genetic imaging by a stand-alone chemical reaction.” Cell. Published online June 20, 2019. doi: 10.1016/j.cell.2019.05.019