科學人／光學顯微新里程碑！突破奈米 MINFLUX測量精度達埃(Å)級
坐在MINFLUX旁的史特芬·萨尔（左）与史蒂芬·赫尔（右）。图／ © Irene Böttcher-Gajewski / Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences
萤光显微镜是现今探索活体细胞内部世界的必备工具，但要透过光学方式测量单一蛋白质内部的分子结构，一直是一项艰巨的挑战。
最近由马克斯普朗克多学科科学研究所（Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences）物理学家史特芬·萨尔（Steffen Sahl）与史蒂芬·赫尔（Stefan Hell）领导的团队，运用一项名为MINFLUX的超高解析显微技术，成功以埃（Å,10-10 m）级精度测量生物分子内的距离，再次推进了光学显微技术的极限。
研究成果已发表于《科学》（Science）期刊。
光学显微的新里程碑：MINFLUX
MINFLUX是一种创新型的超解析度显微技术，这项技术结合了两种超解析度的优势：使用类似点定位显微镜（如PALM和STORM）的随机定位技术，并融入像STED显微镜那样精确锁定单一分子的能力。核心原理是用极低强度的「甜甜圈」光束扫描发光分子，最大限度地减少所需光子数，同时提升测量精度。
传统萤光共振能量转移（Förster Resonance Energy Transfer, FRET）技术虽可估算奈米距离，但测量结果可能受到染料分子方向及能量传递的影响。MINFLUX不仅解决了这些问题，还能测量到分子间的直接接触距离。研究团队使用马克斯普朗克研究所开发的特殊萤光分子，这些分子能逐一被激发，不会互相干扰，从而确保测量的准确性。
这次突破不仅限于观察细胞内部，而是成功测量了巨分子内部的三维距离。研究团队运用MINFLUX技术，测量附着在巨分子特定位置的两个萤光标记间的距离，且测量精度可达到1奈米甚至1埃。
用「分子尺」验证测量精度
为了展示MINFLUX的精准度，研究团队特地找来1960年代的经典分子工具——聚脯氨酸（polyproline）分子「尺」，这些尺具有固定的平均长度。这种分子最早由卢伯特·史崔尔（Lubert Stryer）和理查·霍格兰（Richard Haugland）用于验证狄奥多·福斯特（Theodor Förster）的距离依赖性理论。
不同长度的聚脯氨酸（polyprolines），是一种相对较硬的多肽，可充当「分子尺」，以展示在萤光共振能量转移（FRET）距离范围内的最高 MINFLUX 解析度。图／© Steffen J. Sahl / Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences
在与史特凡·雅各布斯（Stefan Jakobs）团队的合作中，他们利用 MINFLUX 方法，分别成像了人类细胞中带有萤光标记的 Lamin 蛋白。这些 Lamin 蛋白在细胞核膜周围形成约 3 奈米厚的细丝。此外，科学家们透过其他小型蛋白（称为奈米抗体，nanobodies）及其寡聚体的实验，展示了 MINFLUX 的潜力。
团队还尝试测量了细菌柠檬酸受器内两个次单元的相对位置，MINFLUX清楚展示了次单元的两种结构排列，解析度达到了 1 Å 范围的精度。
细菌柠檬酸受器的两个相同次单元呈现反向平行（上）和正向平行（下）排列。透过 MINFLUX 进行的光学 3D 位置测量，能够精确地检测由这些次单元所形成的二聚物的两种状态。图／© Steffen J. Sahl / Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences
再创光学显微技术的新高度
史蒂芬·赫尔曾在2014年因超解析度显微技术荣获诺贝尔化学奖。他表示：「自从我们2016年提出MINFLUX技术概念后，它已经不断突破光学显微的极限。现在我们能解析巨分子内部，这在当年是难以想像的。」
资料来源：
1. Intra-molecular distances in biomolecules measured optically with Ångström precision
2. Steffen J. Sahl et al, Direct optical measurement of intramolecular distances with angstrom precision, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adj7368
3. MINFLUX enhances super-resolution microscopy
延伸阅读
（本文出自2024.10.15《科学人》网站，未经同意禁止转载。）