不同尺度的发光纳米粒子在超分辨与单分子追踪中的应用
当疾病发生时，通过对细胞内微观过程的显微观察，可以了解疾病所诱发的变化，并提出如何防止、逆转或治愈疾病的关键步骤。在过去的几十年中，科学家一直依靠被吸收到细胞中的荧光染料分子来观察这些过程。这些染料分子最初是由纺织工业中使用的染料制成，虽然后来经过了发展和改进，但其基本原理和性能并未发生根本性转变。其中，染料分子的一个主要的缺点是染料褪色，因为它们在成像过程中被暴露在高强度的光照下。科学家们只有漂白前的一小段时间来对细胞进行成像，得到细胞的“快照”，而不能对其进行实时、长期的跟踪。与此同时，显微技术已发展到超分辨率和实时成像，不仅是在整个细胞层面，而且可精细到对单个细胞内的微观组分的观测。
为了解决这一问题，生物学家与材料工程师携手，开发出了不同的新型发光生物材料，并像航海信标一样将它们标记在细胞内，使得科学家能够看到并追踪细胞内的精细变化过程，而不影响活细胞的生理状态。
超高分辨率显微镜专家席鹏教授提出：“传统的有机荧光染料不能满足超分辨和动态跟踪的多方面要求。这些需求可以通过人工合成的纳米粒子实现，引领人们对亚细胞器的观察到新的研究水平。”
纳米材料专家、著名****、悉尼科技大学金大勇教授认为：“材料科学家在新结构的发展方面已经取得了巨大的进步，这些新结构非常小，与蛋白质分子的大小相当，但能发出比传统的染料分子的亮度和精度更高的光。我们可以使用纳米材料，例如发光塑料或陶瓷颗粒，并将它们送到所讨论的地点。各种其它的技术帮助粒子穿过细胞壁，我们可以对细胞这一分子机器内部正在发生的事情进行成像观测。同时，这些人造的先进粒子可以同时使用不同的颜色和脉冲信号编码，因此我们实际上可以对基因或蛋白质进行可视化编码，从而研究生命本身的编码本身，是如何翻译和转录的。这对于细胞生物学和材料科学界来说是一个激动人心的时刻，他们现在拥有前所未有的机会，以前所未有的准确性和分辨率探索细胞成像。”
澳大利亚卧龙岗大学Antoine van Oijen教授认为：“了解疾病过程，进而发展治愈，依赖于我们理解细胞过程：我们细胞内的各种生物分子如何完成它们的工作？当它们停止正常工作和疾病袭击时会发生什么？目前，科学家和医疗从业人员非常担心抗菌素耐药性，这可能会使一些药物无效。我们现在需要研究和开发新的抗生素，医生需要明智地使用它们。而了解药物在分子水平上的工作过程，是开发这些新药的关键。”
为了实现上述目标，北京大学正在怀柔领衔建设一个由国家投资17.5亿元人民币的跨尺度多模态成像大设施，它将在尺度上跨越生物学的10个数量级，覆盖从米（人体大小）到埃(分子大小)的尺度，实现不同尺度、不同显微技术结合的生命过程研究，覆盖疾病发生、发展的所有尺度。席鹏参与了这一工程的建设。巧合的是，Antoine van Oijen也在领衔建设一个投资8000万澳元的全新研究设施——“分子地平线”(Molecular Horizons)。这一设施的使命是为研究人员提供新的分子水平的生物过程可视化工具，从而揭开细胞最深处的秘密，并开发出新的检测和攻击疾病的方法。
席鹏和金大勇的研究得到国家自然科学基金委海外****合作研究基金项目“高通量上转换超分辨显微成像及单分子追踪”(61729501)的支持。
编辑：麦洛
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