在浩瀚的生命海洋中，微观世界的奥秘常常让我们惊叹。就如同黑夜中的星辰，细胞中的蛋白质以其复杂多变的形态，在生命进程中扮演着至关重要的角色。然而，单个蛋白质的形态一直如同深藏于迷雾中的真相，难以被窥见。
如今，德国哥廷根大学医学中心的Ali H. Shaib等科学家们在NBT上发文One-step nanoscale expansion microscopy reveals individual protein shapes （一步纳米级扩展显微镜显示单个蛋白质的形状），利用一种名为“一步纳米级扩展显微术（One-step nanoscale expansion microscopy，简称ONE）”的新技术，成功突破了这一难题。他们将蛋白质形态揭示得淋漓尽致，不仅提升了传统光学显微镜的分辨率，还为未来生物医学领域的探索开辟了新天地。
诗意般的革命：从光学显微镜到纳米世界
自显微镜发明以来，人类就对微观世界的细节充满了好奇。从细胞到分子，显微镜带领我们窥探了一个又一个生命的秘密。然而，传统显微镜的分辨率一直被光学极限所束缚，哪怕是如今的荧光显微镜，也难以达到单个蛋白质形态的精确成像。随着生命科学的飞速发展，单分子层面的观察需求愈发强烈，如何在不破坏生物样本的前提下，获得更高分辨率的图像，成为了科学家们努力攻克的难题。
ONE显微术的诞生，标志着一种全新视角的到来。通过物理扩展样本，研究者将这些肉眼难辨的微观结构放大到可视化范围，再结合传统荧光显微术进行成像。这一创新使我们得以首次以接近1纳米的分辨率，观测到单个蛋白质的形态。这不仅仅是技术上的进步，更是通向生命微观奥秘的一扇新大门。
背景：突破光学显微的极限
过去几年中，荧光显微术的分辨率已经进入了亚纳米范围，然而这一技术在单蛋白质或小分子复合物的形态成像方面仍然存在瓶颈。首先，成像精度受限于荧光分子的标记密度，因为荧光分子无法无限接近彼此。其次，荧光分子之间的相互作用，如能量转移，会加速光漂白，进一步降低成像的定位精度。解决这些问题的一个思路是通过物理扩展样本，从而增加标记间距，这便是扩展显微术（ExM）的核心理念。
在扩展显微术中，样本被物理扩展数倍或十倍以上，然后使用常规荧光标记进行成像。然而，由于样本扩展后荧光分子被稀释，导致信号变弱，使得这类技术在传统超分辨光学方法中表现有限。为解决这一问题，研究团队将扩展显微术与超分辨率光学波动成像（SRRF）相结合，开发出ONE显微术，通过一次性扩展技术，使蛋白质形态的观测分辨率接近1纳米。
ONE显微术的核心创新
ONE显微术的核心在于结合了物理扩展和光学成像技术。研究团队将样本通过物理方法扩展至少十倍，然后使用常规荧光标记物进行标记，最后通过光学显微镜对这些样本进行成像。在此过程中，研究者利用荧光波动分析技术，捕捉样本中荧光分子的微小变化，从而生成超分辨率图像。
研究团队展示了这一技术如何成功成像单个蛋白质的形态，甚至观察到钙调蛋白（calmodulin）在钙离子结合前后发生的构象变化。钙调蛋白是一种重量约为17千道尔顿的小蛋白，传统显微术难以观测其结构变化，而ONE显微术则完美地呈现了这种构象转变。此外，该技术还被应用于帕金森病患者的脑脊液样本中，成功分析了其中蛋白质聚集体的形态，为疾病的诊断提供了潜在的新手段。
临床应用：开辟诊断新途径
ONE显微术的另一个重大突破是其在临床样本中的应用。研究团队通过对帕金森病患者脑脊液样本中的蛋白质聚集体进行形态分析，展示了这一技术在疾病诊断中的潜力。蛋白质聚集体的形态变化是许多神经退行性疾病的重要标志，通过观察这些微观结构的细节，科学家们能够更准确地识别疾病的早期信号，从而为临床诊断提供更加精准的工具。
未来展望：光学与生物学的桥梁
ONE显微术不仅填补了光学显微术与结构生物学之间的空白，还为未来的生物医学研究提供了全新的视角。它让科学家们得以在不依赖昂贵设备的情况下，获得近乎原子级的生物结构图像。这意味着在未来，我们可能会更深入地了解蛋白质的功能及其在疾病中的作用，从而为药物开发和疾病治疗带来革命性突破。
总结
来自哥廷根大学医学中心的Ali H. Shaib等人，创造性地开发了一步纳米级扩展显微术（ONE），通过结合物理扩展与光学成像，成功将蛋白质的形态展现在我们眼前。这项技术不仅在基础研究中发挥了重要作用，还在临床应用中展现了巨大的潜力。随着技术的不断进步，ONE显微术有望为我们揭开更多微观世界的神秘面纱，推动生物学和医学领域的发展与进步。
这项研究展示了光学技术和生物学相结合的力量，也为未来的科学探索指明了方向。ONE显微术的诞生，是我们迈向微观世界的又一大步，为科学家和医生提供了全新的工具和方法。
