来自德国大学医学中心G?ttingen（UMG）的研究团队，创新性地开发了一种新技术，首次能够利用传统显微镜对蛋白质的三维形态进行成像。
通过结合人工智能，一步纳米级扩展（ONE）显微镜能够检测人体样本中受损或有毒蛋白质的结构变化。许多疾病，如帕金森病，都是由于蛋白质错误折叠引起的，因此可以在早期进行检测和治疗。
ONE显微镜被《自然》杂志评选为“2024年值得关注的七大技术”之一，并在《自然生物技术》上发表。
荧光成像是生物学中最常用的工具之一，用于观察活细胞的生物过程。尽管技术不断进步，分辨率提高，但使用荧光显微镜观察单分子和分子复合体的组织仍然面临挑战。
迄今为止，这种观察只能依赖于昂贵的结构生物学方法，如电子显微镜（EM），尤其是低温电镜，在极低温度下用强电子束成像样品。
由UMG神经和感觉生理系主任Silvio O. Rizzoli教授和Ali Shaib博士领导的研究小组，开发了一种新方法，利用一些简单而有效的技巧，通过传统光学显微镜观察单个分子的细节。
他们并未使用昂贵的高分辨率显微镜来提升分辨率，而是创造了一步纳米级扩展（ONE）显微镜。
该方法通过将细胞及其结构结合到穿透细胞的吸水凝胶上，来增加样品的体积。凝胶吸水后，体积可增至原来的15倍。这使得样品中的分子均匀分开并变得更大，从而在用荧光分子特异性标记后，可以用光学显微镜成像。
结合一种基于人工智能的方法来评估荧光变化，科学家们首次成功实现了以前只有高分辨率冷冻电子显微镜和X射线技术才能完成的任务。
“我们现在能够从二维荧光图像中重建3D蛋白质结构，”里佐利教授表示，他也是神经退行性疾病生物结构成像中心(BIN)的发言人，并且是“多尺度生物成像:从分子机器到可兴奋细胞网络”(MBExC)卓越集群的成员。
这为直接可视化单个蛋白质的精细结构细节以及细胞或分离中的多蛋白质复合物提供了前所未有的机会。
蛋白质空间结构的变化也可以通过显微镜轻松检测。在与G?ttingen和Kassel的同事合作中，对患者脑脊液样本中的分子蛋白聚集体进行了成像和分类，这是帕金森病的典型特征。这为改善帕金森病的早期检测带来了希望，帕金森病影响着全球数百万人。
ONE显微镜是一种简单且经济的方法，可以在任何实验室使用传统显微镜进行，并达到约1纳米的分辨率。这比人类头发的直径还小10万倍。作者提供了必要的软件作为一个免费的开放源代码包。
传统光学显微镜的分辨率受到光学定律的限制：小于200纳米的物体，比如大约15纳米大小的抗体，如果它们之间的距离小于200纳米，就会显得模糊，无法单独观察。
超分辨率显微镜通过光学技巧绕过了这种衍射极限，因此可以实现高达10纳米甚至更小的分辨率。然而，这需要非常昂贵的显微镜。
ONE显微镜依靠放大样品体积来绕过衍射极限。细胞及其包含的结构首先被化学结合到一种吸水凝胶上，就像在婴儿尿布中发现的那样。通过吸收水分，凝胶与样品一起膨胀，导致单个分子相互远离。
热量或酶的额外作用导致蛋白质分子的分裂。形成个体碎片，在15倍的大规模膨胀过程中向不同方向均匀移动，同时保持其空间排列。
然后用荧光分子进行靶向标记，使单个蛋白质片段（现在位于衍射极限以上的距离上）可以使用常规光学显微镜进行成像。
里佐利教授说：“我们很惊讶地发现，我们实际上可以用荧光显微镜看到抗体的Y形。”他补充道：“结合人工智能（编码器-解码器模型），我们首次成功地从传统光学显微镜的二维荧光图像中重建了单个蛋白质分子的三维结构。”
对ONE显微镜和高分辨率冷冻电镜进行了比较。GABAA受体控制着大脑和脊髓中神经细胞的活动，其蛋白质结构的测定表明，这种新方法是多么有效。
“一次显微镜检查就可以看到GABAA受体的整个结构。这包括15%到20%的无序循环，必须使用冷冻电镜从多达十万张图像数据中平均。由于这些环路是灵活的组成部分，即它们可以因受体而异，因此这些图像数据不能充分平均。
“因此，这些循环是无法识别的。在一次显微镜下，整个分子的第一张单独图像在膨胀开始后不到72小时就可以获得，”Shaib博士说。“这项技术使得即使使用较旧的光学显微镜也可以实现超过10纳米的分辨率。
“相比之下，我们的遗传物质DNA的直径约为2.5纳米，可以使用这种技术进行成像。任何实验室，无论其财政资源如何，都可以使用ONE显微镜技术产生非常高分辨率的图像。这是显微镜学的一场革命，对科学和技术都有长期的影响。”
ONE显微镜使得检测人体样品中受损或有毒蛋白质的形状变化成为可能，因此提供了广泛的潜在应用。为了使蛋白质在细胞内发挥正确的功能，它们必须采用三维结构。这是通过折叠蛋白质来实现的，在这个过程中可能会发生错误。
错误折叠的蛋白质要么被降解，要么导致有毒物质沉积在细胞中。此外，在细胞和整个生物体中也存在相应蛋白质的缺乏和相关功能的丧失。
里佐利教授说：“一次显微镜检查就可以根据血液样本对蛋白质错误折叠疾病（如帕金森病）进行视觉诊断。”
使用ONE显微镜，已经可以对帕金森患者脑脊液样本中的α-突触核蛋白聚集体进行成像和分类。突触核蛋白的错误折叠导致这些聚集体的形成，这些聚集体沉积在大脑中，是神经细胞死亡的原因。
“由于我们可以很容易地识别这些聚集体的形状，因此有可能早期诊断这种神经退行性疾病，”里佐利教授说。“这将使患者在大脑严重受损之前获得早期、有效和个性化的治疗。”
