超高解析度的動態顯微技術：生化顯影技術的革命
作者：駐法科技組 現職：駐法科技組
法國國家科學研究中心（CNRS）網站
法國國家科學研究中心（CNRS）網站
截至目前為止，超高解析度的顯微鏡（也稱為奈米顯微鏡）可以清楚地照射出活體細胞表面的個別分子，不過前提是這些有機體已事先經過基因改造使其本身具有螢光效果。法國國家科學研究中心（CNRS）與南法波爾多大學（Universite de Bordeau）的物理與生化學者最近在這項分子顯微造影技術上取得重大的突破，他們發明一項新的技術使得受測的細胞分子不需經過事先的基因改造也可以清晰與長時間地展現在顯微鏡下。這項技術使得生物研究領域內的非專門性研究人員也得以不靠基因改造而進行細胞研究。
顯微鏡是我們以微觀的角度觀察生物界的最佳利器，每個學生在生物課時應該都有將洋蔥皮或葉綠體放在兩片薄薄的載坡片之間然後用顯微鏡觀察其細胞結構的經驗。但是當我們想要進一步了解細胞內部的細部構造，顯微鏡的「衍射現像」則會讓這項任務變得十分困難，換句話說，當觀察目標低於250奈米長時（也就是四分之一微米），此時物體將會僅呈現為一個小點，因為物體表面各點所反射的光現將會被過度放大而混雜在一塊。
從最近幾年以來，研究員已經成功的克服上述的障礙，而這必須要歸功於具有超高解析度的顯微鏡或是奈米顯微鏡的出現。這些特殊的顯微鏡可以讓研究者觀察奈米級的細胞表面組織，這也等於是替生物細胞觀察領域帶來一項嶄新的革命。但超高解析度顯微鏡究竟是不是也會遭遇到失焦的障礙？
衍射現像的發生是當我們在做顯微觀察時，通常將焦點放在單一點（或分子）上，這個焦點的位置是定位在觀察物反射光的中心位置；但當我們要觀察的目標出現多個反射光點時，此時兩個以上的光點將會出現重疊現象使得我們無法找到觀察目標的真正位置。科學家也因此想出基因改造工程的方式，讓生物細胞表面的觀察目標可以短暫且隨機地「發光」，就像是聖誕節時掛在聖誕樹上的閃爍小燈泡一般一閃一閃的隨機發亮，同時在最後所有的燈泡都亮起時，我們也可以在昏暗中看到聖誕樹的全貌。
但是上述的研究方法卻有一個十分不便之處，也就是研究員要有辦法隨時開關各個觀察分子的亮光。要達到這項目標，研究員則須利用基因改造方式將觀察細胞內引入螢光蛋白體，而兩條雷射射線原則上可以只讓某幾個研究員想要觀察的分子同時發亮，也因此，這些螢光細胞便成為顯微鏡下的觀察影像焦點，當研究員以這個方式觀察一部分的細胞表面組織後，他們將必須反覆重複同樣的步驟，直到全部觀察完所有的表面組織為止。反之，如果細胞沒有經過螢光基因改造的話，科學家將無法研究細胞表面的分子結構，也不能在須臾間掌握分子的運動軌跡，而且經過基因改造後的螢光分子僅能維持不到一秒的發光時間。
現在，分子無線光學研究中心與神經突觸細胞生理學實驗室的生物學家（隸屬於國家科學研究院與波爾多大學的研究室）發明了一種新的技術來讓細胞分子「發亮」，這個原理便是使用即時免疫性染劑（immuno-marquage en temps reel），受測的活體細胞被放在一種具有螢光抗體的溶液中（這種溶液有在市面上販售，所用的抗體要依觀察目標而作改變），使得螢光抗體融入細胞中，不過研究員不需要讓所有細胞都染上這樣的抗體，而是將螢光染劑注入到顯微鏡中，在觀察的過程中，一部分的抗體會自動與欲觀察的分子進行聯結進而使其發光，隨後，當這部分的螢光消失後，其他部分的分子則會在逐步的觀察中自動地接受到顯微鏡內存的螢光染劑而逐一發光。
這項技術得以讓研究人員紀錄數以千計的單一細胞分子之運動軌跡，並且可以奈米層級觀察這樣的動態現象，國家科學研究中心與波爾多大學的研究員也向世人展示了這項技術具有高度效率以及可在各種不同的細胞系統（異質細胞、突狀纖維細胞或我們一般所說的神經細胞）內觀察內膜組織中的各種分子。這項技術不僅使用簡單、用途廣、並且十分可靠，從今以後一般大眾就算沒有傳統的光學顯微設備也可以進行細部的細胞分子觀察。
更特別的是，我們甚至也可以以每秒50奈米的解析度拍攝諸如神經元等單一細胞的活動變化（相當於一般攝影中每秒20個畫面）。波爾多大學的研究學者已經開始以此觀察活體神經突觸內神經接受器的動態結構。相信有其他許多研究團隊也會陸陸續續採用這項技術，屆時可以預期生物界將會颳起一陣研究觀察的革命。
參考資料：
Dynamic super-resolution imaging of endogenous proteins on living cells at ultra-high density, Biophysical Journal, 18 août 2010.
聯繫方式：
Chercheurs CNRS l Laurent Cognet l T 005 40 00 62 12 l lcognet@u-bordeaux1.fr
Daniel Choquet l 05 57 57 40 90 l dchoquet@u-bordeaux2.fr
Presse CNRS l T 01 44 96 51 51 l presse@cnrs-dir.fr
資料來源：
Microscopie de super-résolution dynamique : une révolution pour l'imagerie biologique
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