细胞分裂，或者说子细胞从母细胞中产生的过程，是生物学的基础。每个细胞都继承了构成其原始细胞的相同蛋白质和DNA构建块。然而，这些分子构件究竟如何排列成新细胞仍然是个谜。

研究细胞分裂需要同时观察纳米级大分子(如蛋白质和DNA)一直到毫米级细胞群，并且时间范围从几秒到几周不等。以前的显微镜只能在很短的时间内(通常只有几十秒)捕获微小的物体。目前还没有一种方法可以同时检查各种尺寸和时间尺度。

我和密歇根大学生物等离子体小组的团队开发了一种新型超分辨率成像，揭示了细胞分裂的先前未知特征。

推进超分辨率成像

直到最近，凭借获得2014年诺贝尔奖的超分辨率技术，人们才得以在分子水平上观察细胞。

传统的光学显微镜会模糊样品中靠近的非常小的物体，因为光在空间中移动时会扩散。借助超分辨率，附着在样品上的荧光探针可以像晴朗夜晚中闪烁的星星一样打开和关闭。通过收集和组合这些探测器的许多图像，超分辨率图像可以将非常小的物体带入视野。超分辨率在生物学中打开了一个全新的世界，揭示了小至10纳米的结构，大约相当于蛋白质分子的大小。

然而，该技术所依赖的荧光探针会很快磨损。这限制了它在研究长时间发生的过程(例如细胞分裂)中的使用。

我和我的研究团队开发了一种称为PINE纳米镜的解决方案。我们使用的探针不像传统荧光探针那样吸收光，而是散射光，这样它们就不会因重复曝光而分解。

为了分辨靠近的非常小的物体，我们构建了由薄层聚合物和液晶制成的滤光片，可以检测散射光，从而触发探头打开和关闭。这使我们能够看到细胞的纳米级细节，否则传统显微镜会模糊这些细节。

值得注意的是，我们发现这些纳米级细节可以在很长一段时间内(超过250小时)被查看。使用传统的超分辨率方法，这些细节通常会随着时间的推移而丢失。

这张PINE显微镜图像显示细胞分裂，细胞核染成蓝色。图片来源：SominLee/NatureCommunications，CCBY

揭示细胞分裂的新线索

然后，我们应用我们的方法来研究分子构件在细胞分裂中如何组织。

我们专注于一种名为肌动蛋白的蛋白质，它有助于维持细胞结构以及许多其他功能。肌动蛋白的形状像分支丝，每根直径约为7纳米(百万分之一毫米)，连接在一起跨越数千纳米。使用PINE纳米显微镜，我们将散射探针连接到肌动蛋白上，以视觉跟踪人类细胞的分裂。

我们对细胞分裂过程中肌动蛋白构件如何组织进行了三个观察。首先，这些分子构件会扩展以增加与邻居的联系。其次，他们还拉近与邻居的距离，增加接触点。第三，当肌动蛋白分子彼此连接较多时，所形成的网络往往会收缩，而当它们彼此连接较少时，所形成的网络往往会扩张。

基于这些发现，我们能够发现有关细胞分裂过程的新信息。我们发现肌动蛋白构建块之间的相互作用与整个细胞在分裂过程中的收缩和扩张同步。换句话说，肌动蛋白分子的行为与细胞的行为有关：当肌动蛋白扩张时，细胞收缩，当肌动蛋白收缩时，细胞也扩张。

超分辨率显微镜荣获2014年诺贝尔化学奖。

通过超分辨率发现疾病

我们计划使用我们的方法来研究其他分子构件如何组织成组织和器官。与细胞一样，组织和器官也按层次结构组织，可以从小到大进行检查。研究蛋白质构建块如何相互作用以形成更大结构的动态和复杂过程可以促进未来新的替代组织和器官(例如皮肤移植物)的创建。

我们还计划使用我们的成像技术来研究蛋白质构建模块在疾病中如何变得混乱。蛋白质组织成细胞，细胞组织成组织，组织组织成器官。构建模块中的一个非常小的变化就可能扰乱这个组织，其影响可能导致癌症等疾病。我们的技术可以帮助研究人员可视化，从而更好地了解组织和器官中的分子缺陷如何发展为疾病。

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标签：细胞分子分辨率