《Cell》张锋跨界发明DNA显微镜,彻底改造显微镜,曾六获诺奖的显微镜会给张锋带来好运吗?

2019-06-22青塔论文

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摘要:如果要评选一个人类历史上最伟大的发明,那么显微镜一定能名列前茅。

如果要评选一个人类历史上最伟大的发明,那么显微镜一定能名列前茅。

在显微镜发明之前,人类对于世界的观察只局限于肉眼。当列文虎克使用他自制的显微镜观察到细胞和微生物后,一个全新的微生物世界在人类眼前打开。此后,恩斯特·鲁斯卡于1931年发明电子显微镜,使得人们能够直接在原子水平观察,显微镜将人类视野带到了一个之前从未触及的微观世界,人类开始对自己和自己所处的这个世界有了更深入的认知。

显微镜可分为两大类:光学显微镜电子显微镜,人们早在几百年前使用光学显微镜观察到了细胞,近年来用冷冻电镜观察到了蛋白的三维立体结构,然而,这两类显微镜都无法再基因组水平观察细胞。

2019年6月20日,作为CRISPR基因编辑的奠基人之一的张锋教授,在Cell杂志发表了一篇重磅论文,张锋及其合作者开发了一种全新的显微镜:DNA显微镜

DNA显微镜,不依赖光或任何类型的光学器件,通过独特的成像模式,可将物理图像编码为DNA,并以精确的序列信息推断细胞分辨率的原始转录物的物理图像,从而实现在基因组水平上对细胞的观察。

通过DNA显微镜,科学家们可以构建细胞图像并同时积累大量的基因组信息。为人们提供了另一层之前无法看到的生物学世界。

论文题目:DNA Microscopy: Optics-free Spatio-genetic Imaging by a Stand-Alone Chemical Reaction.

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使用DNA显微镜识别样品中的不同细胞(图中不同的彩色的点)

使用DNA显微镜(下图左),可以准确地重建用荧光显微镜捕获的细胞图像(下图右),比例尺=100微米。

《Cell》张锋跨界发明DNA显微镜,彻底改造显微镜,曾六获诺奖的显微镜会给张锋带来好运吗?

显微原理

使用DNA显微镜获取一个完整的细胞图片,可以说非常简单,只需要一个样本和和一个移液器。

首先,将实验室中培养的细胞固定在反应室中。 然后,添加各种各样的DNA条形码。 它们连接上RNA分子,给每个分子一个独特的标签。接下来,该团队使用化学反应来制作每个标记分子的越来越多的副本,一个从每个分子的原始位置扩展出来的不断增长的分子堆。

最终,标记的分子与其他标记的分子碰撞,迫使它们成对连接在一起。 彼此靠近的分子更容易碰撞,产生更多的DNA对。分开的分子将产生更少的DNA对。

大约花费30个小时的时间后,DNA测序仪拼出样品中每个分子的碱基。然后通过该团队创建的算法解码数据,将每个原始样本中约5000万个基因序列的DNA碱基转换为图像。

这样,就可以完全重建在光学显微镜下看见的东西。

应用前景

张锋认为,每个细胞都是由独特的DNA序列或基因型组成,使用DNA显微镜可以直接从被研究得分子中捕获信息,DNA显微镜开辟了一种将基因型和表型联系起来得全新方法。

Aviv Regev认为,DNA显微镜的有着无限的可能性,希望它能够激发人们的想象力,去开发更大更多我们从未想过的创意。

论文的第一作者Weinstein认为,有一天DNA显微镜可以让科学家加速免疫疗法治疗的发展,帮助患者免疫系统对抗癌症,该方法可能潜在地识别出最适合靶向特定癌细胞的免疫细胞。这种新型显微镜类别,不仅仅是一种新技术,更是一种我们以前从未考虑过的显微方式。

该论文早在2018年11月9日,就已在预印本网站 BioRxiv 上线,这次是正式发表于Cell杂志。

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上线时间:2018年11月19日

《Cell》张锋跨界发明DNA显微镜,彻底改造显微镜,曾六获诺奖的显微镜会给张锋带来好运吗?

该研究的通讯作者:张锋、Aviv Regev

出生于1982年的张锋,是麻省理工学院终身教授,CRISPR基因编辑开创者之一,上市公司Editas Medicine的创始人,当今最为人所关注的华人生物学家。

张锋的科研生涯可谓传奇,2004年-2011年,张锋在斯坦福大学神经科学家 Karl Deisseroth 教授实验读博和学习,在此期间,Karl Deisseroth教授同张锋等人开创了光遗传学这一全新的研究领域。

2011年,张锋加入麻省理工学院,开始自己的独立科研生涯,2013年,张锋首次将CRISPR/Cas9基因编辑技术成功应用与哺乳动物和人类细胞,从此,张锋随着CRISPR一起大放异彩。

年仅30岁的他就参与开创了两项热门技术领域(光遗传学和CRISPR)。

这一次,张锋又开创了一类新型显微镜。

要知道,显微镜技术一共获得过6次诺贝尔奖,三次获物理奖,三次获化学奖。分别是:

1953年的物理学奖颁给了相位差显微镜,1982年的化学奖颁给了晶体电子显微技术,1986年的诺贝尔物理学奖颁给了电子显微镜扫描隧道显微镜,2014年的诺贝尔化学奖颁给了超分辨率荧光显微镜,2017年诺贝尔化学奖颁给了冷冻电子显微镜技术

现在我们可能要讨论他会因基因编辑还是DNA显微镜获得诺贝尔奖了。

论文链接:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30547-1#

解析部分参考链接:

https://www.hhmi.org/news/dna-microscopy-offers-entirely-new-way-to-image-cells

(本文转载自:BioWorld。文章为作者独立观点,不代表青塔立场,转载请联系原作者。)

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