张锋《Cell》最新技术开启新时代：DNA显微镜

　　

生物通报道：显微镜再次被颠覆了。

以前，科学家们利用传统意义上的光，X射线和电子显微技术来观察组织和细胞。今天，科学家们可以在整个大脑中追踪线状的神经纤维，甚至可以看到心脏还在砰砰跳动的活体小鼠胚胎。

但是这些显微镜无法看到：在基因组水平的细胞中发生了什么？

为此，一组研究人员发明了一种非传统的成像方法，他们将其称为“DNA显微镜（DNA microscopy，生物通注）”，研究人员利用这种技术确定了分子在样品中的相对位置，而不用于依赖光或任何类型的光学器件。

这项新发明公布在6月20日的Cell杂志上，由霍华德休斯医学研究所（HHMI）的张锋研究员，Aviv Regev研究员领导完成。

文章一作，霍华德休斯医学研究所的生物物理学家Joshua Weinstein表示，通过DNA显微镜，科学家们可以构建细胞图像，积累大量的基因组信息。 “这为我们提供了另一层我们之前无法看到的生物学。”

“这是一种全新的显微镜类别，”Regev说，这不仅仅是一种新技术，而且开创了新的领域，带来了之前我们从而想到过的事情。

传统技术

到目前为止，显微镜分为两大类。第一类是基于光学，比如光学显微镜就可以追溯到17世纪，依靠可见光来照亮样品。科学家们已经对这种方法感到不满，因此创造了超越可见光谱的技术，这些电子显微镜，荧光显微镜等都基于样品发射光子或电子的原理。

第二类是基于在显微镜定义下的位置解剖样品，然后，计算机程序将每个解剖的片段拼接成完整样本的完整图片。光学成像可以提供亚细胞结构和行为的复杂成像；基于解剖的显微镜可以为科学家提供遗传信息。

而这篇文章的研究人员想要发明一种一石二鸟的方法，一次性完成所有这些任务：拍摄细胞位置的图片，并拼出驱动它的特定基因序列。

这种组合对于研究遗传多样性细胞的科学家来说非常重要。 免疫系统就是一个很好的例子。免疫细胞基因可以变化为单个DNA字母。每种变异都可以引发细胞产生的抗体类型的显著变化。当组织内细胞发生变化，也可以改变抗体的产生。

如果只能完成其中一项，那就只能得到部分图片。

工作原理

捕获一个完整的细胞图片并不需要昂贵的显微镜或许多花哨的设备。最开始你只需要一个标本和一个移液器。

对于这项技术来说，研究人员首先将实验室中培养的细胞固定在反应室中。然后，他们添加了各种各样的DNA条形码，它们“挂在”RNA分子上，给每个分子一个独特的标签。接下来，研究人员利用化学反应来制作每个标记分子的副本，形成一个从每个分子的原始位置扩展出来的不断增长的分子堆。

“可以把每一个分子想象成一个向外发送信号的无线电塔，”Weinstein说。

最终，标记的分子与其他标记的分子碰撞，迫使它们成对连接在一起。彼此靠近的分子更容易碰撞，产生更多的DNA对。

DNA测序仪可以拼出样品中每个分子的字母，这需要长达30个小时的时间。之后通过研究人员创建的算法解码数据，在最新研究中，研究人员获得了来自每个原始样本大约5000万个基因序列的DNA数据，然后将原始数据转换为图像。

“这样就能基本上完全重建你在光学显微镜下看到的东西，”Weinstein说。

这两种方法是互补的。 光学显微镜可以很好地看到样品中分布不密集的分子，DNA显微镜在分子密集时也能看清楚，甚至是堆积在一起的分子。

研究人员认为，未来有一天DNA显微镜可以让科学家加速免疫疗法治疗的发展，帮助患者免疫系统对抗癌症。 这种方法可能潜在地识别出最适合靶向特定癌细胞的免疫细胞。

张锋表示，每个细胞都有独特的DNA字母或基因型组成。 “DNA显微镜通过直接从被研究的分子中捕获信息，开辟了一种将基因型与表型联系起来的新方法。”

Regev补充说，这类显微镜的可能性是开放的。 “我们希望它能激发想象力——人们都会受到之前从未想到过的伟大创意的启发。”

（生物通：万纹）

原文标题：

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