由斯克里普斯研究所的科學(xué)家們共同領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組展示了一種新的顯微鏡技術(shù)，可以在分子水平上研究復(fù)雜的生物過(guò)程。研究人員使用這項(xiàng)技術(shù)實(shí)時(shí)記錄DNA到RNA的復(fù)制或轉(zhuǎn)錄，以及隨后蛋白質(zhì)與RNA轉(zhuǎn)錄本的結(jié)合，開(kāi)始組裝一個(gè)叫做核糖體的大分子。

11月30日發(fā)表在《自然通訊》(Nature Communications)雜志上的一篇論文描述了這項(xiàng)技術(shù)，它為研究RNA和蛋白質(zhì)相關(guān)的各種分子相互作用，以及在類(lèi)似活細(xì)胞的條件下，以前所未有的細(xì)節(jié)進(jìn)行研究鋪平了道路。

“我們可以將這種方法應(yīng)用于許多生物學(xué)問(wèn)題，”該研究的第一作者Olivier Duss博士說(shuō)。

這項(xiàng)研究的高級(jí)研究員是斯克里普斯研究所的詹姆斯·威廉姆森博士和斯坦福大學(xué)的約瑟夫·普利西博士。

像DNA轉(zhuǎn)錄這樣的納米級(jí)生物過(guò)程不能通過(guò)普通顯微鏡直接觀察到，因?yàn)樗婕暗姆肿颖瓤梢?jiàn)光波長(zhǎng)小很多倍。因此，科學(xué)家不得不想出間接的方法來(lái)“觀察”這些過(guò)程。例如，單分子成像技術(shù)在單個(gè)分子上使用熒光標(biāo)記來(lái)監(jiān)視它們的運(yùn)動(dòng)和與其他分子的相互作用。

單分子技術(shù)的一個(gè)常見(jiàn)缺點(diǎn)是要求標(biāo)記的分子濃度非常低——這樣它們的集體熒光就不會(huì)產(chǎn)生太多的背景“噪聲”，掩蓋來(lái)自單個(gè)分子的信號(hào)。

“問(wèn)題是，當(dāng)你想研究一些生物過(guò)程時(shí)，比如核糖體組裝，你必須復(fù)制細(xì)胞中濃度高得多的分子;否則，這個(gè)過(guò)程就不會(huì)像通常那樣發(fā)生。

這項(xiàng)新技術(shù)是基于一種稱(chēng)為零模波導(dǎo)熒光顯微鏡的技術(shù)，這種技術(shù)可以使成像的分子具有更高的、生物學(xué)上真實(shí)的濃度。它通過(guò)在光源和分子溶液之間穿孔數(shù)千個(gè)小孔(或波導(dǎo))的金屬薄膜來(lái)完成這一過(guò)程。這些波導(dǎo)有效地將單個(gè)分子隔離在光照/視場(chǎng)中，即使它們的濃度相對(duì)較高，從而大大降低了背景噪聲。

在這種情況下，科學(xué)家們?cè)诟信d趣的分子上附加了特殊的熒光標(biāo)記，使分子的某些特殊運(yùn)動(dòng)能夠引起熒光強(qiáng)度的明顯變化。因此，科學(xué)家們可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分子間的相互作用，并同時(shí)監(jiān)測(cè)由波導(dǎo)分離出來(lái)的成百上千個(gè)相互作用的分子——這使得研究人員能夠?qū)@些相互作用中通常發(fā)生的事情有一個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)上可靠的認(rèn)識(shí)。對(duì)于波導(dǎo)中的每一組分子，研究人員可以使用多達(dá)四種不同顏色的熒光標(biāo)記，使他們能夠在同一時(shí)間監(jiān)視同一過(guò)程中的那么多不同分子。

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)記錄核糖體組裝的早期階段，展示了該技術(shù)的強(qiáng)大功能。核糖體是由RNA和蛋白質(zhì)組成的分子工廠，在細(xì)胞中起著合成蛋白質(zhì)的關(guān)鍵作用。每個(gè)細(xì)胞都需要成千上萬(wàn)甚至上百萬(wàn)的核糖體，當(dāng)舊的核糖體分解或細(xì)胞分裂時(shí)，新的核糖體就會(huì)不斷聚集。在核糖體組裝的開(kāi)始，核糖體蛋白在RNA合成過(guò)程中與RNA相互作用，但轉(zhuǎn)錄和蛋白結(jié)合是如何相互作用的還沒(méi)有被很好地理解。

研究人員能夠監(jiān)測(cè)DNA中核糖體RNA轉(zhuǎn)錄的進(jìn)展，并觀察到隨后核糖體蛋白S15與新生RNA轉(zhuǎn)錄本的結(jié)合很快。他們同時(shí)記錄了數(shù)百個(gè)不同的核糖體組裝過(guò)程。

數(shù)據(jù)顯示這種protein-RNA綁定過(guò)程適用的正常生理溫度35°C,但效率相對(duì)要少得多冷20°C,顯然是因?yàn)闇囟鹊暮颂求wRNA會(huì)折疊在它被在轉(zhuǎn)錄合成。

Duss說(shuō):“我們選擇核糖體蛋白S15作為我們首次證明蛋白質(zhì)與轉(zhuǎn)錄RNA結(jié)合的一個(gè)原因是，S15-核糖體RNA相互作用的研究相對(duì)較好，因此我們可以根據(jù)已知的結(jié)果來(lái)檢查我們的結(jié)果。”

在以這種方式驗(yàn)證了他們的技術(shù)之后，Duss和同事們現(xiàn)在正將其應(yīng)用于更復(fù)雜和更具挑戰(zhàn)性的生物事件，包括RNA折疊、全核糖體組裝，甚至從核糖體組裝到合成新蛋白質(zhì)的整個(gè)過(guò)程。