德国哥廷根大学医学中心(UMG)的研究人员开发出一种新方法，首次可以使用传统显微镜对蛋白质的三维形状进行成像。

结合人工智能，一步纳米级扩展(ONE)显微镜能够检测人体样本中受损或有蛋白质的结构变化。因此，可以尽早发现和治疗诸如帕金森病等基于蛋白质错误折叠的疾病。

ONE显微镜被《自然》杂志评为“2024年值得关注的七大技术”之一，并于近期发表在《自然生物技术》上。

荧光成像是生物学中用于观察活细胞生物过程的最通用和最广泛使用的工具之一。尽管技术不断进步，分辨率不断提高，但使用荧光显微镜可视化单个分子和分子复合物的组织仍然是一项挑战。

到目前为止，这只能通过昂贵的结构生物学方法来实现，例如电子显微镜(EM)和特别是低温电子显微镜，其中样品在极低的温度下用非常强的电子束进行成像。

由哥廷根大学医学中心(UMG)神经和感觉生理学系主任SilvioO.Rizzoli教授和UMG神经和感觉生理学系组长AliShaib博士领导的研究团队现已开发出一种方法，使用一些简单但有效的技巧，通过传统光学显微镜详细地观察单个分子。

他们没有使用昂贵的高分辨率显微镜来提高分辨率，而是开发了一步纳米级扩展(ONE)显微镜。

在该方法中，通过将细胞及其内部结构与渗透到细胞中的吸水凝胶结合，可以增加样本的体积。通过吸收水分，凝胶的体积最多可增加15倍。这会导致样本中的分子均匀分开，并且变得更大，因此在用荧光分子进行特定标记后，可以用光学显微镜对其进行成像。

结合基于人工智能的方法来评估荧光变化，科学家首次成功完成了以前只能通过高分辨率低温电子显微镜和X射线技术才能完成的事情。

“我们现在能够从二维荧光图像重建3D蛋白质结构，”Rizzoli教授说，他也是神经退行性疾病生物结构成像中心(BIN)的发言人和卓越集群“多尺度生物成像：从分子机器到可兴奋细胞网络”(MBExC)的成员。

这提供了一个前所未有的机会来直接观察细胞或分离状态下单个蛋白质以及多蛋白质复合物的精细结构细节。

ONE显微镜还可以轻松检测到蛋白质空间结构的变化。在与哥廷根和卡塞尔同事的合作中，研究人员对患者脑脊液样本中的分子蛋白质聚集体(典型的帕金森病)进行了成像和分类。这对于改善影响全球数百万人的帕金森病的早期检测大有裨益。

ONE显微镜是一种简单且经济有效的方法，可以在任何实验室中使用传统显微镜进行，分辨率约为1纳米。这比人类头发的直径小约100,000倍。作者以免费开源软件包的形式提供了必要的软件。

一个显微镜概念。图片来源：《NatureBiotechnology》(2024年)。DOI：10.1038/s41587-024-02431-9

关于ONE显微镜方法

传统光学显微镜的分辨率受到光学定律的限制：小于200纳米的物体(例如大小约为15纳米的抗体)会显得模糊，并且如果它们之间的距离小于200纳米，则无法单独看到。

超分辨率显微镜利用光学技巧绕过了衍射极限，因此可以实现高达10纳米甚至更小的分​​辨率。然而，这需要非常昂贵的显微镜。

为了绕过这种衍射极限，ONE显微镜依靠样本体积的放大。细胞及其所含结构首先通过化学方式与吸水凝胶结合，就像婴儿尿布中发现的那样。通过吸收水分，凝胶会与样本一起膨胀，导致单个分子彼此远离。

热量或酶的额外作用导致蛋白质分子分裂，形成单个碎片，在高达15倍的大规模膨胀过程中，这些碎片均匀地向不同方向移动，同时保留其空间排列。

然后，通过荧光分子进行靶向标记，就可以使用传统光学显微镜对位于衍射极限以上距离的单个蛋白质片段进行成像。

“我们很惊讶地发现，我们实际上可以用荧光显微镜看到抗体的Y形，”Rizzoli教授说。“结合人工智能(编码器-解码器模型)，我们首次成功地从二维荧光图像中重建了单个蛋白质分子的三维结构，而这基于传统的光学显微镜。”

研究人员对ONE显微镜和高分辨率低温电子显微镜进行了比较。确定了控制大脑和脊髓神经细胞活动的GABAA受体的蛋白质结构，证明了新方法的有效性。

“ONE显微镜使人们能够看到GABAA受体的整个结构。它由15%到20%的无序环组成，必须使用低温电子显微镜从多达十万个图像数据中取平均值。由于这些环是灵活的组件，即它们可能因受体而异，因此无法充分平均这些图像数据。

“因此，这些环无法被识别。使用ONE显微镜，在开始扩展后不到72小时内即可获得整个分子的首批单独图像，”Shaib博士说。“即使使用较旧的光学显微镜，这项技术也能实现超过10纳米的分辨率。

“相比之下，我们的遗传物质DNA直径约为2.5纳米，可以使用这种技术进行成像。任何实验室，无论其财力如何，都可以使用ONE显微镜技术生成非常高分辨率的图像。这是显微镜领域的一场革命，对科学和技术都有长远影响。”

ONE显微镜可以检测人类样本中受损或有蛋白质的形状变化，因此具有广泛的潜在应用。为了使蛋白质在细胞内发挥其正确的功能，它们必须采用三维结构。这是通过折叠蛋白质来实现的，而折叠过程中可能会出现错误。

错误折叠的蛋白质要么被降解，要么导致细胞中有沉积物。此外，还会导致相应蛋白质的缺乏，从而导致细胞和整个生物体功能丧失。

里佐利教授说：“ONE显微镜可以根据血液样本对蛋白质错误折叠疾病(如帕金森病)进行视觉诊断。”

使用ONE显微镜，已经可以对帕金森病患者脑脊液样本中的α-突触核蛋白聚集体进行成像和分类。α-突触核蛋白的错误折叠会导致这些聚集体的形成，这些聚集体沉积在大脑中，导致神经细胞亡。

“由于我们能够轻松识别这些聚集物的形状，因此有可能对这种神经退行性疾病进行早期诊断，”里佐利教授说。“这将使患者在大脑受到严重损伤之前获得早期、有效和个性化的治疗。”