陳興課題組開發基于點擊化學的膨脹顯微成像技術

      2020年12月7日，beat365官方网站、北大-清華生命科學聯合中心陳興課題組在《自然-方法》（Nature Methods）雜志在線發表了題為“Click-ExM enables expansion microscopy for all biomolecules”的研究論文，報道了基于點擊化學的膨脹顯微成像技術（Click-ExM），提供了一種通用、便捷的策略對各種生物分子進行超分辨熒光成像。

   “工欲善其事，必先利其器”。探尋生命的奧秘，首先需要看得足夠清楚。然而由于光學衍射極限的限制，常規的熒光顯微鏡難以對精細的亞細胞結構進行分辨。超分辨熒光成像技術，使人們能夠看清在200 nm以内的生物分子。不過這些技術通常依賴于昂貴的儀器和精密的算法，而且在組織樣品中的成像性能一般。

     膨脹顯微成像技術（Expansion microscopy，ExM）則從樣品制備入手，繞過了光學衍射極限，實現了讓超分辨熒光成像“飛入尋常百姓家”。整個流程中首先将丙烯酸鹽充滿整個生物樣品内部，并使其聚合形成凝膠。凝膠吸水膨脹後，原本臨近的生物分子被拉遠，但相對位置保持不變。因此利用常規的熒光顯微鏡對膨脹後的樣品進行成像，同樣可實現超分辨的成像效果。然而目前的ExM技術缺乏一種普适性的在凝膠中錨定生物分子的策略，因此其應用範圍局限于蛋白質、核酸，無法對脂質、聚糖以及小分子等生物分子進行成像。

     Click-ExM的設計理念是利用帶有生物正交官能團（如疊氮、炔基等）的化學探針對細胞進行代謝标記，通過點擊化學連接上生物素，再基于生物素與鍊黴親和素相互作用，最終将被标記的生物分子轉變為偶連熒光分子的鍊黴親和素。偶連熒光分子的鍊黴親和素在其中起到了三方面作用：識别生物分子、報告熒光信号、錨定到凝膠中。

     作者采用了多種含有生物正交官能團的化學探針，對脂質、聚糖、蛋白質、核酸、小分子等多種生物分子進行Click-ExM成像，并将該技術應用于原代細胞和腦組織切片等生物體系中，其中首次實現了對多種脂質、聚糖以及小分子的ExM成像。同時，由于Click-ExM技術與傳統的ExM流程兼容，因此可與多種現有的标記方法相結合，實現多色熒光成像。此外，由于樣品膨脹會稀釋熒光分子的濃度，作者還利用鍊黴親和素的多價相互作用，開發出信号放大策略，有助于成像低豐度的生物分子。值得一提的是，Click-ExM技術中各步均為模塊化設計，且大部分化學試劑可商業化購買，不需要繁瑣的化學合成和步驟優化，因此有希望被廣泛應用于後續的生物學研究中。

     總之，該工作利用了前沿的化學生物學手段，建立了一種通用型的ExM技術：Click-ExM，并拓展了其在超分辨熒光成像領域中的應用。

     陳興教授為該研究論文的通訊作者，beat365官方网站2016級博士研究生孫德恩為第一作者。該工作中的部分化學探針、細胞和組織樣品制備分别在beat365雷曉光、王世強、饒毅教授課題組進行。該研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、北京分子科學國家研究中心、北大-清華生命科學聯合中心的資助。

     原文鍊接：https://doi.org/10.1038/s41592-020-01005-2