基于钻石的超快速冰冻显微术捕捉到了之前看不见的生命模式

位于多特蒙德的马克斯·普朗克分子生理学研究所的系统细胞生物学部门开发了在显微镜下进行活体观察的细胞超快速冷冻冻结技术，现在它绕过了这些基本问题。该方法的核心是以每秒20万摄氏度的速度将活细胞冷却至-196摄氏度。这使得细胞生物分子在捕获时能够以其自然排列的方式得到前所未有的保存。在这种低温状态下，分子的运动和光诱导的破坏被停止，使我们能够观察到原本看不见的生命分子模式。

我们身体上的近100万亿个细胞之所以活着，是因为它们通过持续的能量消耗使自己保持在一个永久的活跃状态。因此，构成细胞的微观模式源于数十亿纳米大小的生物分子的不断动态行为，比如蛋白质、脂质、核酸和其他分子，它们以看似杂乱无章的方式四处奔忙。

为了观察更高规模的组织是如何从这种持续的活动中产生的，生物分子物种可以有选择地配备荧光探针。这些荧光分子是光子催化剂:它们吸收高能量的光子(例如蓝光)，然后发射低能量的光子(红移)。这些光子可以通过显微镜成像，不仅可以精确定位标记的生物分子，还可以报告局部的分子反应。然而，光对探针的破坏和至关重要的分子运动的模糊是两个基本问题，它们阻碍了在细胞尺度上观察生命的分子过程如何产生结构。

荧光显微镜的不确定原理

荧光显微镜能在多大程度上分辨出一个特定的结构或分子，这基本上取决于从这个结构中收集到的光的量。这类似于试图在夜空中看到星星。只有那些比周围更亮的恒星才会被第一眼看到。如果我们用长时间曝光来拍摄夜空，就会看到更多的星星，但会由于地球自转而变得模糊。

同样，在荧光显微镜下曝光时间可以延长，以增加检测光的数量。然而，微观结构从不静止不动，而是表现出随机和定向运动。延长曝光时间从而导致结构的模糊。然而，在这种情况下，小结构的运动比荧光团的光子催化要快得多，因此精度不能通过创造更好的探测器或更强的照明来提高。甚至，光子催化过程会产生有毒的自由基，这些自由基不仅破坏分子过程，最终杀死细胞，还会破坏荧光分子本身。这最终限制了从活细胞内的探针中可以收集到的光量。

这个解决方案真的很酷

Jan Huebinger在Philippe Bastiaens的团队中开发了一种技术，可以在荧光显微镜下直接观察活细胞中任何时间点的分子活动模式，时间间隔为毫秒。通过这种方法，运动模糊和光破坏的基本问题可以同时被避免。

这种阻止是通过极快地冷却到非常冷的温度(-196°C)来完成的，以至于分子运动实际上停止了。逮捕行动必须非常迅速，原因有二：首先，如果捕捉太慢，定义活细胞的激活显微镜模式就会分解成死亡状态。

第二，冻结的速度必须比冰的形成过程快，因为冰的形成会破坏细胞。这也可以在更大的范围内观察到，例如，西红柿在冷冻后变糊状。在0°C到-136°C的临界范围内，冰的形成非常快。然而，非直观的是，在非常低的温度下(低于-136°C)，冰晶实际上不会再形成，因为水分子的运动实际上也停止了。这就意味着，冷却速度必须超过每秒10万摄氏度。

研究人员已经掌握了这一技术挑战，他们开发了一种与显微镜集成的超快速冷却装置，其中液氮（-196°C）的冷却在高压下加速到钻石上。同一颗钻石的另一面还保存着含有细胞的样本。高压爆破加上金刚石特殊的热导率，可以实现必要的高冷却速率，使细胞在-196°C的自然状态下停止运行。这不仅解决了运动模糊的问题，而且阻止了光化学破坏。这打开了几乎无限暴露的可能性，这些新的分子模式之前在噪音中会被模糊。

使不可见变为可见

超快速冷冻阻止允许使用通常具有破坏性的高激光功率，以数十纳米的分辨率分析天然分子模式，而这些分辨率本来是看不见的。更重要的是，由于在-196°C下没有光破坏，相同的阻滞细胞可以通过不同的显微镜模式进行观察，以测量从分子到细胞尺度的模式。

这项新技术由此导致发现了一种癌蛋白和一种肿瘤抑制蛋白的纳米级共组织，从而保护细胞不表现出恶性行为。“这是荧光显微镜的一个有利步骤，特别是超分辨率显微镜和显微分光镜的结合，允许在多个尺度上绘制细胞中的分子反应。这将改变我们观察细胞中分子组织和反应模式的方式，从而提供更多关于自身或细胞自组织能力的洞察力，”Philippe Bastiaens说。