基于單分子定位的超分辨顯微成像技術(shù)PALM打破了光學衍射極限，于2014年獲得了諾貝爾化學獎。相對于目前廣泛使用的其它超分辨成像技術(shù)而言，該技術(shù)具有最高的空間分辨率(～20 nm)，因此在生物學中帶來了廣泛的應用。但是由于該技術(shù)需要成千上萬張原始圖片來重構(gòu)一張超分辨圖像，時間分辨率低，在活細胞中應用該技術(shù)面臨挑戰(zhàn)。

另外，受現(xiàn)有光控熒光蛋白的限制，觀察發(fā)育過程中超早期結(jié)構(gòu)成像也是目前超高分辨率成像面臨的另一挑戰(zhàn)。用熒光蛋白標記發(fā)育生物具有非入侵，低毒害，低背景等特點，但由于熒光蛋白的折疊和成熟以及累積需要時間，其熒光信號的出現(xiàn)往往滯后于發(fā)育中某些早期事件的發(fā)生。更早發(fā)光的熒光蛋白往往能捕捉發(fā)育中更早出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)或事件，也使得依據(jù)熒光信號進行的定量分析和數(shù)據(jù)解釋變得更加精確和可靠。但目前，在超分辨成像中應用較廣的光轉(zhuǎn)化熒光蛋白均不具有發(fā)光早的特性。

針對超分辨成像中的這兩個問題，徐濤院士研究組和徐平勇課題組合作，開發(fā)了一個新型光轉(zhuǎn)化熒光蛋白探針pcStar和一種新型活細胞超分辨成像方法Quick-SIMBA。與合作團隊前期發(fā)表的被廣泛使用的mEos3.2 (Nature Methods，2012) 相比較，pcStar熒光蛋白探針具有發(fā)光早，光轉(zhuǎn)化效率高等特點，有利于提高單分子超分辨成像技術(shù)的時間分辨率和標記密度，同時可以應用于對短壽命生物分子/結(jié)構(gòu)的超分辨成像。應用新一代單分子定位超分辨成像探針pcStar，課題組成員在細菌，真核細胞系，胎鼠神經(jīng)干細胞以及果蠅胚胎中均實現(xiàn)了超早期標記。Quick-SIMBA是在徐平勇課題組前期發(fā)展的單分子定位超分辨技術(shù)SIMBA (Cell Research，2017) 的基礎(chǔ)上，結(jié)合pcStar探針、sCMOS相機和改進算法提出的新一代活細胞超分辨成像方法。該技術(shù)在目前活細胞單分子定位成像技術(shù)中具有最高的時空分辨率(0.1-0.25 s, 50 nm)，能夠很好解析活細胞中的密集管狀內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（圖1），這一結(jié)構(gòu)曾因傳統(tǒng)成像的時空分辨率不足，而被長時期認為是連續(xù)的片狀結(jié)構(gòu)。另外，結(jié)合pcStar和SIMBA成像技術(shù)，課題組成員對果蠅胚胎發(fā)育中的超早期結(jié)構(gòu)進行了標記和超分辨成像解析，為該結(jié)構(gòu)的發(fā)育形成過程提供了新的證據(jù)和視角。

這一研究成果于10月2日在Nano letters上在線發(fā)表，并入選該雜志2020年第四期封面論文，題為 “Fast super-resolution imaging technique and immediate early nanostructure capturing by a photo-convertible fluorescent protein”。該研究工作由中科院生物物理所、中科院計算所、中科院遺傳發(fā)育所等機構(gòu)合作完成。生物物理所副研究員張名姝，博士研究生付志飛和副研究員李常青為本文的共同第一作者，徐濤院士和徐平勇研究員為本文的共同通訊作者。徐濤院士領(lǐng)銜的儀器研發(fā)團隊近年來致力于顯微成像儀器設(shè)備和技術(shù)方法的研究和開發(fā)，先后研制出偏振單分子干涉成像、冷凍單分子定位成像以及超分辨光電融合成像系統(tǒng)，開發(fā)了多種新的超分辨顯微成像方法。徐平勇課題組主要致力于發(fā)展多種用于超分辨成像如PALM/STORM、SOFI、SIM等的探針，并基于探針的光化學特性發(fā)展新的成像方法如貝葉斯單分子超分辨成像方法SIMBA等，來提高超分辨成像的時空分辨率。該工作是徐濤院士和徐平勇課題組合作產(chǎn)生的又一個成像探針和方法相結(jié)合的超分辨成像研究成果。

該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和中科院先導專項等項目的大力支持。