以前，科學家們利用傳統(tǒng)意義上的光，X射線和電子顯微技術(shù)來觀察組織和細胞。今天，科學家們可以在整個大腦中追蹤線狀的神經(jīng)纖維，甚至可以看到心臟還在砰砰跳動的活體小鼠胚胎。

但是這些顯微鏡無法看到：在基因組水平的細胞中發(fā)生了什么？

為此，一組研究人員發(fā)明了一種非傳統(tǒng)的成像方法，他們將其稱為“DNA顯微鏡（DNA microscopy，生物通注）”，研究人員利用這種技術(shù)確定了分子在樣品中的相對位置，而不用于依賴光或任何類型的光學器件。

這項新發(fā)明公布在6月20日的Cell雜志上，由霍華德休斯醫(yī)學研究所（HHMI）的張鋒研究員，Aviv Regev研究員領導完成。

文章一作，霍華德休斯醫(yī)學研究所的生物物理學家Joshua Weinstein表示，通過DNA顯微鏡，科學家們可以構(gòu)建細胞圖像，積累大量的基因組信息。 “這為我們提供了另一層我們之前無法看到的生物學?！?/p>

“這是一種全新的顯微鏡類別，”Regev說，這不僅僅是一種新技術(shù)，而且開創(chuàng)了新的領域，帶來了之前我們從而想到過的事情。

傳統(tǒng)技術(shù)

到目前為止，顯微鏡分為兩大類。第一類是基于光學，比如光學顯微鏡就可以追溯到17世紀，依靠可見光來照亮樣品。科學家們已經(jīng)對這種方法感到不滿，因此創(chuàng)造了超越可見光譜的技術(shù)，這些電子顯微鏡，熒光顯微鏡等都基于樣品發(fā)射光子或電子的原理。

第二類是基于在顯微鏡定義下的位置解剖樣品，然后，計算機程序?qū)⒚總€解剖的片段拼接成完整樣本的完整圖片。光學成像可以提供亞細胞結(jié)構(gòu)和行為的復雜成像；基于解剖的顯微鏡可以為科學家提供遺傳信息。

而這篇文章的研究人員想要發(fā)明一種一石二鳥的方法，一次性完成所有這些任務：拍攝細胞位置的圖片，并拼出驅(qū)動它的特定基因序列。

這種組合對于研究遺傳多樣性細胞的科學家來說非常重要。 免疫系統(tǒng)就是一個很好的例子。免疫細胞基因可以變化為單個DNA字母。每種變異都可以引發(fā)細胞產(chǎn)生的抗體類型的顯著變化。當組織內(nèi)細胞發(fā)生變化，也可以改變抗體的產(chǎn)生。

如果只能完成其中一項，那就只能得到部分圖片。

工作原理

捕獲一個完整的細胞圖片并不需要昂貴的顯微鏡或許多花哨的設備。最開始你只需要一個標本和一個移液器。

對于這項技術(shù)來說，研究人員首先將實驗室中培養(yǎng)的細胞固定在反應室中。然后，他們添加了各種各樣的DNA條形碼，它們“掛在”RNA分子上，給每個分子一個獨特的標簽。接下來，研究人員利用化學反應來制作每個標記分子的副本，形成一個從每個分子的原始位置擴展出來的不斷增長的分子堆。

“可以把每一個分子想象成一個向外發(fā)送信號的無線電塔，”Weinstein說。

最終，標記的分子與其他標記的分子碰撞，迫使它們成對連接在一起。彼此靠近的分子更容易碰撞，產(chǎn)生更多的DNA對。

DNA測序儀可以拼出樣品中每個分子的字母，這需要長達30個小時的時間。之后通過研究人員創(chuàng)建的算法解碼數(shù)據(jù)，在最新研究中，研究人員獲得了來自每個原始樣本大約5000萬個基因序列的DNA數(shù)據(jù)，然后將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像。

“這樣就能基本上完全重建你在光學顯微鏡下看到的東西，”Weinstein說。

這兩種方法是互補的。 光學顯微鏡可以很好地看到樣品中分布不密集的分子，DNA顯微鏡在分子密集時也能看清楚，甚至是堆積在一起的分子。

研究人員認為，未來有一天DNA顯微鏡可以讓科學家加速免疫療法治療的發(fā)展，幫助患者免疫系統(tǒng)對抗癌癥。 這種方法可能潛在地識別出最適合靶向特定癌細胞的免疫細胞。

張鋒表示，每個細胞都有獨特的DNA字母或基因型組成。 “DNA顯微鏡通過直接從被研究的分子中捕獲信息，開辟了一種將基因型與表型聯(lián)系起來的新方法?！?/p>

Regev補充說，這類顯微鏡的可能性是開放的。 “我們希望它能激發(fā)想象力——人們都會受到之前從未想到過的偉大創(chuàng)意的啟發(fā)?！?/p>

來源：生物通

原文標題：

Joshua A. Weinstein et al. “DNA microscopy: Optics-free spatio-genetic imaging by a stand-alone chemical reaction.” Cell. Published online June 20, 2019. doi: 10.1016/j.cell.2019.05.019