無需諾貝爾獎高貴儀器 普通顯微鏡也可看到奈米級物質

作者 | 發布日期 2015 年 02 月 21 日 20:00 | 分類 自然科學 , 醫療科技
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我們用顯微鏡來觀察細胞,因為顯微鏡可以讓物體的影像變大。但如果把物體本身變大不就有相同效果?這種看似不科學的說法要如何辦到?答案跟嬰兒用的尿布有關。麻省理工學院神經工程師 Edward Boyden 研發一種稱為「擴展顯微鏡」(expansion microscopy) 的技術,讓被觀察的物體膨脹,生物學家甚至可以用普通顯微鏡看到分子等級的腦部細節。



與昂貴技術有相同效果

Boyden 的技術其實跟 2014 年諾貝爾化學獎三位得主的螢光顯微技術可以做個對比。諾貝爾獎的顯微鏡技術突破了可見光最小波長 400 奈米的限制,對於距離只有 20 奈米的物體仍能清晰分辨,不過缺點是所需的儀器很昂貴,且面對有厚度的物體較不易觀察,例如腫瘤細胞或是整個大腦。Boyden 的技術則可以觀察立體的組織,例如腦部神經細胞之間突觸間隙及間隙一端的突觸鈕 (synaptic bouton)。

Boyden 運用的是丙烯酸類聚合物。常見的尿布或衛生棉之所以具有鎖水功能,其中便含有丙烯酸;丙烯酸還能留住蛋白質分子。在 Boyden 的技術下,首先要把螢光分子鎖定在要觀察的蛋白質上,然後開始注水,要觀察的組織因為加入丙烯酸而膨脹了 91.125 倍(三維方向各自膨脹 4.5 倍)。因為組織膨脹,被螢光分子標記的蛋白質彼此距離也拉開,可以讓用可見光進行觀察的顯微鏡也能看見。Boyden 表示這項技術可以讓原先距離在 60 奈米以上的分子被清楚觀察。

物質膨脹但無太多質變

重要的是,組織中的細胞仍然保持完好狀態,蛋白質的相對位置與方向沒有太大的改變,如上圖左是膨脹後的樣子,與圖右的原始狀態比較改變不大。這項改變根據研究團隊的估計,大約是 1% 至 4% 之間。

2014 年諾貝爾化學獎得主之一的 Stefan Hell 表示,這項技術很有趣也值得繼續發展,他提到 1990 年代德國就有科學家有類似的點子,但看來 Boyden 的研究團隊才是真正把構想實現的人。

(首圖來源:Boyden, E., Chen, F. & Tillberg, P. / MIT / Courtesy of National Institutes of Health)

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