【儀表網 儀表研發】偏振是光作為電磁波的基本物理屬性之一。偏振特性在光場調控、顯微成像、量子光學、立體顯示等領域得到了廣泛的應用。在生物學中，通過偏振成像測量熒光團的偶極子方向，可以揭示靶蛋白的取向。超分辨顯微技術雖然能夠突破光的衍射極限，實現百納米尺度的高分辨率成像，但是由于無法獲知生物分子的取向性，在應用中受到了極大限制。
 

　　為了研究蛋白在亞細胞結構中的定位和取向，北京大學工學院席鵬研究員課題組與同事近期聯合開發了偏振光結構光顯微技術(pSIM)。相關研究成果以“Super-resolution imaging of fluorescent dipoles via polarized structured illumination microscopy”為題，于10月16日發表在《自然·通訊》期刊。
 

　　結構光成像(SIM)由于其分辨率高、成像速度快等優點，能夠高度兼容于活細胞成像，從而受到生物學家的青睞。借鑒SIM成像原理，席鵬等人構建了空間-方位角的高維復合空間，同時提取熒光偶極子的方位角與空間超分辨信息，從而實現了偏振結構光成像。
 

　　為了驗證這一技術與SIM的廣泛兼容特性，研究人員測試了多種商用SIM系統及自主搭建的SIM平臺，以及2D-SIM、3D-SIM、TIRF-SIM成像能力，成功提取熒光分子的偶極子方位信息與超分辨結構信息。他們進行了大量的生物學實驗來證明其廣泛的適用性，如λ-DNA、BAPE細胞和小鼠腎組織中的肌動蛋白絲、肌動蛋白和肌球蛋白之間的相互作用，以及中GFP染色的U2OS活細胞微管。研究團隊對神經元中的膜相關周期骨架(MPS)進行了研究。pSIM以高的空間分辨率和準確的偏振檢測，揭示了肌動蛋白環在MPS中“并排”組裝的新模型，推翻了以往教科書上肌動蛋白環“端到端”的結構假設。pSIM具有高的時空分辨率和獨特的偶極子方向信息，在未來解決各種生物問題方面具有廣闊的應用前景。
 

pSIM揭示了肌動蛋白環在MPS中“并排”組裝的新模型
 

　　一般來說，一項創新技術通常采取如下兩種途徑來造福科研界：1、將相關技術開放獲取，其他學者通過搭建類似系統來得到應用；2、將相關技術商業化，其他學者通過采購儀器來得到應用。該工作開辟了推動科研的第三條途徑：通過深入挖掘SIM技術及商用儀器的潛在特性，為現有的SIM系統“賦能”，挖掘出了包括其發明人都沒有注意到的現有SIM系統內在的偏振探測特性，使現有系統不經任何改動，就可以實現偏振SIM的功能。這使得許多已有SIM系統的生命科學實驗室可以直接進行偏振SIM的分析，將極大地推進偏振超分辨成像的研究。
 

　　席鵬課題組近年來致力于偏振超分辨技術和SIM超分辨技術的開發，如：1、利用偏振特性的熒光偶極子超分辨技術(SDOM)發表在Light: Science and Applications，并得到Nature Methods的高度評價(相關鏈接http://news.pku.edu.cn/xwzh/129-295505.htm)；2、將SDOM應用于金納米粒子的SERS超分辨成像(Nanoscale 2018)；3、開發了減幀SIM技術來提升結構光成像的速率2倍以上(IEEE TIP2018)；4、參與了Hessian-SIM超高速結構光成像技術的開發，并提出滾動SIM技術，可提升SIM成像速度3倍以上(Nature Biotechnology 2018)。這些科研進展為該工作奠定了堅實基礎。
 

　　席鵬和清華大學戴瓊海院士是這項工作的共同通訊作者，共同作者、共同通訊作者張昊博士得到了北京大學博雅博士后計劃資助，共同作者陳星曄為清華大學自動化系博士生。本文的神經細胞實驗與北京大學麥戈文腦科學中心張研教授課題組合作完成，體外肌動蛋白實驗由中國科學院動物所李向東教授課題組合作完成，活細胞微管成像由北京大學生命科學學院陳曉偉課題組合作完成。這項工作的SIM超分辨顯微成像在北京大學生物顯微平臺完成，得到了單春燕等老師的幫助。該工作得到國家自然科學基金委、科技部、北京市科委杰出青年科學基金、北京大學臨床+X項目和儀器專項的資助。