将神经细胞放大后进行荧光显微镜成像，能够得到高分辨率图像。图片来源：Arthur Chien/SPL

本报讯 一项通过放大细胞揭示微小细节的技术已取得突破性进展。科学家使用一种与婴儿纸尿裤中的超强吸水材料类似的聚合物，将生物样本的体积放大了10亿倍，即每个维度都增加了1000倍。这种水平的放大可以把单个细胞膨胀到小鼠大脑的尺寸，而一枚硬币大小的样本则能扩展至一个奥运会游泳池的规模。

通过这项技术，研究人员用普通光学显微镜绘制出了氨基酸在蛋白质和小分子肽中的位置分布图。近日，相关研究结果公布于bioRxiv。

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、操作复杂的技术。“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Silvio Rizzoli说。

物理定律限制了光学显微镜的观测能力，即距离小于200纳米的两个物体无法被分辨。而超分辨率光学显微镜技术通常依赖光学技巧和昂贵的设备，已能将分辨率极限降至10纳米以下。

2015年，论文共同作者、美国麻省理工学院的Edward Boyden和同事发明了一种用普通荧光显微镜实现超高分辨率的替代方法。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了约4倍，使细胞成分彼此分离，从而提高了分辨率。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，但通常只能膨胀到20倍左右。

为实现更大规模的放大，研究团队研发出一种新的水凝胶配方，能够使样本多次膨胀。他们还结合了一项名为“ONE显微成像”的膨胀显微镜技术，利用光学显微镜绘制蛋白质结构。纯化后的蛋白质被固定在水凝胶上，再通过酶或加热分解，从而使蛋白质在不破坏三维结构的情况下被拉伸分离。

利用这种1000倍膨胀法，研究人员对多肽mCLING的9种氨基酸中的几种进行了荧光标记，随后用荧光显微镜对这些结构单元的相对位置进行成像。这些测量结果和计算机模拟得出的mCLING分子结构高度吻合。

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了GFP模型，分辨率约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，也未达到冷冻电镜的解析精度。

但是论文共同作者、哥廷根大学医学中心的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，团队现在能以10埃分辨率直接观测细胞内的蛋白质结构。Shaib说：“我们正力求用廉价的光学显微镜，拍出媲美冷冻电镜的精细蛋白结构。”

即便如此，Rizzoli认为，评判这项技术的优劣，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了埃级分辨率，但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，能够直接观测GFP，成果惊人。”英国牛津大学的Lothar Schermelleh说。

然而，英国安格利亚鲁斯金大学的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。“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10亿倍也带来了显而易见的难题。英国圣安德鲁斯大学的John Danial解释，在这种尺度下，科研人员可能要拍摄海量图像，才能重构单个蛋白质结构。

论文共同作者、麻省理工学院的Helena Hu表示，这项技术可以搭配自动化成像设备，而放大的状态能维持数日不收缩。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仍希望这类光学显微技术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。比如，整个非洲目前仅有一台冷冻电镜。“在那些没有条件搭建冷冻电镜平台的地区，用一台造价仅5000至1万英镑的显微镜就能拍出蛋白质的精细结构。”（李木子）

相关论文信息：

https://doi.org/10.64898/2026.05.31.729018