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多尺度联合成像

2013-01-30 13:53:17 作者:生物成像中心 来源: 浏览次数:0

    多级有序性是生命体系结构的关键特征。蛋白质、DNA、RNA等生物大分子是细胞生命功能的物质基础,然而其本身并不能体现生命活动的本质和特征,只有这些大分子进一步组装成分子机器,并与众多生命有机分子共同形成超分子系统,进而组装成亚细胞结构、细胞器,才能最终形成具有物质交换和能量转换等新陈代谢能力的细胞——这些充分体现了多级有序性(Hierarchical)这一生命体系的最重要特征。例如,染色体是DNA经过核小体、30nm纤维、染色丝和染色质等多个层次的有序组装构成;而细菌运动鞭毛则反映了微管蛋白、微管蛋白聚合体、微管、微双管和“9+2”微双管体系等多级分层装配。\
    对于生命不同层级的结构,人们可以应用不同的研究手段来对其进行成像和解析——这包括了应用X射线晶体学和核磁共振谱学方法来研究生物大分子及其复合体的高分辨率三维结构,应用低温电镜单颗粒三维重构技术来解析生物超分子复合体的中等分辨率结构,应用低温电子断层三维重构技术来分析细胞器的纳米分辨率三维结构,应用荧光显微技术来研究细胞水平的分子动态变化,应用光学显微镜对细胞和组织进行成像,应用计算机辅助X射线断层扫描来研究组织器官的形态...... 随着研究对象尺度的增大,我们所获得结构信息的空间分辨率也随之降低。随着生命科学的发展,人们迫切希望在大尺度上对生命系统内的分子事件进行研究,这就需要发展多尺度联合成像技术,将不同的研究手段有机关联在一起,使得人们可以获得对同一生物样品的大尺度高分辨率结构信息。
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    多尺度联合成像研究的前沿之一是研究分子机器在细胞内的原位结构和动态变化,这需要融合结构生物学和细胞生物学的研究技术方法,发展一套大尺度(10~100um)高分辨率(2~5nm)的研究手段。当前光学和电子显微成像技术的飞速发展有力地推动了以细胞内分子机器原位动态变化规律为研究内容的结构细胞生物学应用研究。通过光学显微技术对目标分子机器进行纳米分辨率定位,通过冷冻电子断层三维重构技术获取细胞指定部位的三维纳米分辨率结构,将定位信息和结构信息进行整合和处理,从而获得大量关于分子机器在细胞原位的三维结构信息,并由此统计归纳出目标分子机器原位动态变化规律——这就是光电关联成像技术。
    中国科学院生物物理研究所蛋白质科学研究平台生物成像中心将充分发挥在低温电镜三维成像和高分辨率荧光显微成像方面的优势,面向国际研究前沿,发展光电关联成像技术,并通过与相关研究课题组合作,应用光电关联成像技术研究重要的生命科学问题。
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