一种通过放大细胞来揭示微小细节的技术已发展壮大。

科学家采用一种与婴儿纸尿裤中高吸水材质成分类似的聚合物，将生物样本体积扩大了10亿倍——每个维度都放大1000倍。这种程度的膨胀可以把单个细胞撑到小鼠大脑的大小，一枚硬币大小的样本则能被扩展至一个奥林匹克游泳池的规模。

将神经细胞膨胀放大，再进行荧光显微拍摄，就能得到高分辨率图像。图片来源：Arthur Chien/SPL

研究人员利用这项技术，通过普通光学显微镜测绘出蛋白质中氨基酸的位置。近日，相关论文在生物预印本网站bioRxiv上公布。

此前，想要观测如此精细的分子结构，只能依靠冷冻电镜、X射线晶体衍射这类成本高昂、操作复杂的设备。“这项技术让结构生物学普及化。”论文共同作者、德国哥廷根大学医学中心的神经科学家与成像专家Silvio Rizzoli说。

“这确实真是呈现了蛋白质的结构。”论文共同作者、美国麻省理工学院的生物工程师Helena Hu补充说。

物理定律限制了光学显微镜的观测极限：两个物体之间的距离若小于约200纳米，则无法分辨。而“超分辨率”显微技术通常依赖于光学技巧和昂贵的设备，已将这一分辨率极限降至10纳米以下。

2015年，论文共同作者、麻省理工学院的神经工程师Edward Boyden和同事发明了一种只用普通荧光显微镜就能实现超高分辨率的新方法。研究人员利用可膨胀水凝胶，把组织样本在每个方向上放大约4倍，从而使细胞成分彼此分离，继而提高了分辨率。

此后，科研人员不断改良Boyden的“膨胀显微镜” 技术，进一步放大样本，但通常仅能将尺寸扩大约20倍。

为实现更大倍率的膨胀，研究团队研发出全新的水凝胶配方，能够对样本进行多次膨胀。团队还结合了一项名为ONE显微成像的膨胀显微技术，利用光学显微镜对蛋白质结构进行成像。纯化后的蛋白质被固定在水凝胶上，再通过酶解或加热拆分，从而在不破坏其三维结构的前提下将蛋白质拉伸分离。

研究人员利用其1000倍扩增法，对多肽mCLING内9种氨基酸中的多种进行荧光标记，随后用荧光显微镜拍下这些结构单元的相对位置。实测结果和计算机模拟得出的mCLING分子结构高度吻合。

该技术还解析了纳米抗体（小型抗体分子）的结构，定位了其中部分氨基酸位点。此外，研究人员还利用这项技术绘制了此前确定的绿色荧光蛋白（GFP）的结构图。

研究人员基于数千张成像快照重构出GFP模型，分辨率达到约1.2纳米（12埃）。不过这一精度仍低于公共数据库中X射线晶体衍射测得的1.9埃分辨率，也未达到冷冻电镜的解析精度。

但论文共同作者、哥廷根大学医学中心的纳米研究专家Ali Shaib透露，在未发表的后续研究中，通过技术优化已经把纯化蛋白的观测分辨率提升至10埃以内。Rizzoli表示，该团队现在能以10埃分辨率直接观测细胞内蛋白质结构。Shaib说：“我们正力求用平价光学显微镜，拍出媲美冷冻电镜的精细蛋白结构。”

即便如此，Rizzoli认为，评判千倍膨胀显微技术优劣，要看它能揭开多少生物学奥秘。“核心不在于分辨率有多高，而在于我们能看到以往看不见的东西。”

“过去已有超分辨光学显微技术实现埃级分辨率，但这类方法能获取的结构信息十分有限。而这篇论文彻底改变了这一局面，能直接观测GFP，成果堪称惊艳。”牛津大学的生物成像专家Lothar Schermelleh说。

然而，英国安格利亚鲁斯金大学的计算生物学家Kirti Prakash对样本在每个维度上放大1000倍后仍能保留原始特征表示怀疑。他指出，论文报道的精细结构，还需要其他实验手段交叉验证。

把生物样本整体放大10亿倍也带来显而易见的难题。英国圣安德鲁斯大学的实验光子学研究者John Danial解释，在这种尺度下，中等大小的蛋白质就能填满显微镜的整个视野。想要得到高分辨率结构，就必须对大量分子颗粒进行平均处理，科研人员可能要拍摄海量图像，才能重构出单个蛋白质结构。

Hu表示，这项技术可以搭配自动化成像设备使用，水凝胶膨胀后能维持体积数日而不收缩。而且该技术还能观测那些尺寸过小、无法用冷冻电镜分析的蛋白分子。

尽管如此，Danial仍希望千倍膨胀这类光学显微技术将帮助人类进一步破解蛋白质与其他生物大分子的结构奥秘，大幅降低结构生物学的科研门槛。举个例子，整个非洲目前仅有一台冷冻电镜。“一台造价仅5000至10000英镑的显微镜，就能拍出蛋白的精细结构。在那些没有条件搭建冷冻电镜平台的地区，普通光学设备随处可得。”

相关论文信息：https://doi.org/10.64898/2026.05.31.729018