在活细胞的纳米级世界里，究竟有着什么样的景象？事实上，对于目前的光学技术来说，想要在纳米级尺度上直接测量距离是一个很大的挑战，即使对能够在细胞或组织中可视化一些特定分子的荧光显微术来说也是如此。
现在，在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一个研究团队通过改进一种名为MINFLUX（最小光子流）的光学方法，精确地测量了1~10纳米范围内的分子内距离。
荧光显微术
荧光显微术是生物学和基础医学研究中不可或缺的一部分。数十年来，对蛋白质、蛋白质的亚基，以及其他生物分子间的纳米级距离的测量，主要依赖于一种名为荧光共振能量转移（FRET）的方法，这是结构和分子生物学中的标准技术。
然而，FRET技术存在一定的局限性。例如，它只能测量有限范围内的距离，当要研究的目标是蛋白质亚基时，就在这种技术的可测量距离范围之外了。此外，FRET的测量结果还会受到荧光分子的取向和光物理特性的影响。这些特性限制了这项技术在检测短距离以及复杂生物分子构象中的应用。
2016年，诺贝尔化学奖得主Stefan Hell和他的团队首次展示了MINFLUX的概念。这是一种新型的高分辨率荧光纳米显微术。与传统的荧光显微术相比，MINFLUX能够在亚纳米尺度上实现极高的空间分辨率，使得研究人员可以更精确地观测分子结构及其内部的距离变化。
虽然理论上MINFLUX是可以测量在空间上相隔几纳米的荧光分子之间的距离的，但想要在实验上实现这种测量却并不容易：因为当距离不到5~10纳米时，大小仅约为1纳米的荧光分子往往会发生相互作用，这会导致它们无法独立发射荧光，从而影响距离测量的结果。
改进过的MINFLUX
现在，在新的研究中，研究人员通过使用特别研发的光激活荧光分子，让MINFLUX显微术进入了这个分辨率范围。这些分子可以被少量紫外线依次“激活”，但彼此之间不会发生相互作用。如此一来，科学家就可以用单个荧光分子标记大分子中待测量的位置，并以极高的精度独立记录。
不同长度的“分子标尺”——聚脯氨酸。（图/MPI f. Multidisciplinary Sciences/ Steffen J. Sahl）
为了验证这种方法的精确度，研究团队使用了1960年代在FRET实验中被首次使用的有着“分子标尺”之称的聚脯氨酸。通过使用具有不同长度的、纳米级间距的聚脯氨酸，研究人员展示了最高的MINFLUX分辨率，并证实了这一方法甚至也适用于细胞环境。
在实验中，他们使用MINFLUX技术对人类细胞中被荧光标记的核纤层蛋白进行了成像，这些蛋白在细胞核膜周围形成大约3纳米厚的丝状结构。这一结果展示了这项技术在活细胞应用中的潜力。
不仅如此，研究人员还通过其他小蛋白（称为纳米抗体）及其寡聚体的实验展示了MINFLUX的潜力。以抗体分子为例，他们展示了如何通过多个位置测量，来解析蛋白质亚基相对于彼此的空间位置。
细菌柠檬酸传感器的两个相同亚基，使用MINFLUX进行光学三维位置测量，通过非常精确地测量蛋白质末端荧光分子之间的距离，检测由亚基形成的二聚体的两种状态。（图/MPI f. Multidisciplinary Sciences/ Steffen J. Sahl）
例如，他们在研究细菌柠檬酸传感器的两个相同亚基时，MINFLUX显微术精确地揭示了这两种亚基的两种结构排列，精度达到了1埃（1埃 = 0.1纳米）的范围。证明了即使是1纳米的距离也可以被测量。
新的强大工具
实验结果表明，研究团队通过改进MINFLUX技术，实现了在光学显微镜下以纳米级精度测量大分子内部的亚基之间的空间距离，并检测到了单个蛋白质的不同构象。
MINFLUX正确地测量了所有可能的距离——甚至可以直接触碰到这些荧光分子。要做到这一点，只需确定这些分子在二维或三维空间中的位置就足够了。
通过这些新的实验，研究人员达到了FRET的距离范围，甚至超越了它。可以说，MINFLUX是结构生物学中研究蛋白质和其他生物分子及其相互作用的一个新的、强大的工具。对于这一结果，Hell高兴地表示：“自从我们在2016年首次展示MINFLUX概念以来，它再次从根本上推动了光学显微镜的界限。”
#创作团队：
编译：小雨
排版：雯雯
#参考来源：
https://www.mpg.de/23554462/1010-bich-direct-optical-measuerement-of-intramolecular-distances-with-angstrom-precision-17216463-x
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj7368
#图片来源：
封面图&首图：MPI f. Multidisciplinary Sciences/ Steffen J. Sahl
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