利用FIONA技术可实现单个荧光分子的纳米级精确定位。本文介绍了FIONA技术的基本原理,并详细描述了如何开展FIONA实验。
利用FIONA技术可实现单个荧光分子的纳米级精确定位。本文介绍了FIONA技术的基本原理,并详细描述了如何开展FIONA实验。
纳米级精度荧光成像(FIONA)是一种简单而实用的技术,可用于在x-y平面内以纳米级精度定位单个荧光分子。本文概述了FIONA技术的基本原理,并简要介绍了利用FIONA开展的一些研究实例。首先,介绍了如何搭建FIONA实验所需的设备, 即,描述了一种全内反射荧光显微镜(TIRFM)技术,并详细介绍了光学系统的对准方法。随后展示了如何采用适当方案对固定化的Cy3标记DNA单分子进行简单的FIONA实验,以实现精确定位;接着说明了如何利用FIONA测量以量子点标记的单个截短型肌球蛋白Va马达的36 nm步长。最后,报道了近期将FIONA技术拓展应用于厚样品的研究进展。结果表明,通过使用水浸物镜,并将量子点浸入溶胶-凝胶以及兔眼角膜深层组织中,可实现对较厚样品中单分子的高精度定位。>200 µm)时,可实现2-3 nm的定位精度。
约在1882年,恩斯特·阿贝发现可见光显微镜的分辨率约为λ/2NA,即约200 nm(其中λ为波长,NA为数值孔径)。1,2因此,任何小于该尺寸的物体在光学显微镜下均会呈现为一个受衍射极限限制的光斑。然而,可以以高得多的精度确定该光斑的中心位置,即物体的实际位置。3单荧光分子纳米级精确定位技术(FIONA)是一种简单而实用的技术,可在x-y平面内以纳米级精度对单个荧光分子进行定位。4定位精度,σµ (即,均值的标准误差)取决于收集到的光子总数,
,其中 N 为光子计数,s 为荧光斑点的标准差,a 为成像探测器的像素尺寸,b 为背景的标准差3,4对于发射约 10,000 个光子的荧光染料,FIONA 可实现约 1 nm 的定位精度4.
FIONA 可用于精确定位静止或运动的发光体(假设成像速度足够快)。FIONA 可逐帧应用于视频图像,从而追踪单个分子的运动4-8。可能需要使用光保护试剂,以确保样品不发生光降解。此外,荧光物体本身的尺寸可以任意,无论其大小是否超过衍射极限——例如,它可能是一个含有许多分散在其膜上的荧光蛋白的细胞器(约 1 µm)。使用 FIONA 仍可获得其平均质心位置的高精度(纳米级)结果。FIONA 在定位精度上的显著提升,使得随时间分辨纳米级运动成为可能,从而将显微技术推进至分子尺度4-8。
自其发明以来,FIONA 已衍生出多种变体。例如,具备一纳米精度的明场成像技术(bFIONA)9,FIONA 的一种微小变体,可成像并定位黑色素体等密集物体 体内 (含有黑色素的暗色物体)的透射光成像。此外,FIONA 已被用于分辨多种染料。例如,结合光漂白的单分子高分辨率成像(SHRImP)10,11 或单分子高分辨率共定位(SHREC)12 已开发出可在约10 nm范围内分辨两种染料的技术。(请注意,此为 分辨率 即 一种染料与另一种相同染料之间区分的准确程度。)最近,FIONA 分析已应用于某些超分辨率显微技术(如随机光学重建显微镜,STORM)的定位过程。13-15 光激活定位显微镜(PALM)16,其中临时性的暗态荧光团被激发,随后对荧光信号进行定位。通过反复激发密度较低的染料分子(每个衍射极限光斑内少于一个),收集其荧光信号,并利用FIONA对每个信号进行分析,即可构建出高分辨率图像。此时分辨率仅受限于每个染料分子发射的光子数量,以及样品保持静止的程度(包括 例如采集过程中显微镜载物台的移动
本文概述了FIONA技术,并简要介绍了利用FIONA开展的研究实例。首先,介绍了如何搭建FIONA实验所需的设备, 即,描述了一种全内反射荧光显微镜(TIRFM)的使用方法,并详细说明了光学系统的对准步骤。接着,通过适当的实验方案,演示了如何对固定化的Cy3标记DNA单分子进行简单的FIONA实验以实现精确定位。随后,展示了利用FIONA测量单个截短型肌球蛋白Va(myosin Va)分子马达36 nm步长的方法。肌球蛋白Va是一种关键的持续性运动蛋白,可在沿肌动蛋白丝移动时运输细胞内货物。本实验采用截短的肌球蛋白Va构建体,以去除与步长无关的功能域,并在其C末端添加FLAG标签,便于使用带有抗FLAG抗体的功能化量子点进行标记。实验在低ATP浓度条件下进行,以减缓肌球蛋白的运动速度,从而允许使用足够长的曝光时间,确保每一帧图像获得充足的光子计数。在以下实验流程中,任何足够亮的荧光标记均可替代所用标记物。最后,报告了近期将FIONA技术应用于厚样本的探索性研究。作为原理验证,将量子点浸入溶胶-凝胶材料和兔眼角膜中,随后利用FIONA对其进行成像与定位。成像时采用60X水浸物镜(数值孔径NA=1.2),因其工作距离长于此前常用的100X油浸物镜。为补偿该物镜放大倍数较低的问题,在发射光路中额外插入了一个放大透镜(3.3X或4.0X)。此外,为了获取厚样本深层区域的信号,需采用落射荧光(非全内反射)显微镜模式。结果表明,浸入溶胶-凝胶及兔眼角膜深层(Z方向)的量子点 > 200 µm)可实现2-3 nm精度的定位。
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伦理声明:兔角膜组织的采集遵循伊利诺伊大学动物护理和使用机构指南。
1. TIRFM 装置设置
注意:始终佩戴激光安全护目镜。

图1. 全内反射荧光显微镜(TIRFM)的光学配置。
2. Cy3-DNA 上的 FIONA

图 2. 典型样品腔的示意图。 (a)俯视图;(b)右侧侧视图;(c)前侧侧视图。
3. 使用FIONA在纳米尺度上量化运动蛋白(例如,肌球蛋白在肌动蛋白上的运动)动力学
4. FIONA 厚样品制备
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典型的物镜型全内反射荧光显微镜(TIRFM)装置如图3所示。首先对表面固定的Cy3-DNA样品进行成像,典型图像如图4a所示。该图像的曝光时间为0.5秒,EM增益为50,相机的CCD灵敏度为12.13。单个Cy3-DNA分子的点扩散函数(PSF)如图4b所示(来自图4a中箭头所指的斑点),其中颜色条表示像素强度的尺度。实际光子数可通过将像素强度乘以转换因子α = CCD灵敏度 / EM增益来计算。该斑点包含约14,000个光子(经背景校正后)。
然后使用二维高斯函数 f(x,y) = z 对点扩散函数(PSF)进行拟合0 + A·exp(-(x-µx)2 / (2秒x2) - (y-µy)2 / (2秒y2),如图所示 图 4c
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FIONA 是一种能够以纳米级精度和低至 1 毫秒时间分辨率定位荧光发射源(有机荧光团或量子点)位置的技术4-8。当收集到足够光子时,该技术可比衍射极限(约 200 nm)更精确地确定荧光发射源的位置,从而为观察传统光学显微镜无法分辨的结构提供了途径4-8。自发明以来,FIONA 已成功应用于观测多种分子马达的运动行为,如肌球蛋白和驱动蛋白。近年来,该技术结合其他研究3,19,进一步推动了某些新兴超分辨率成像技术(如 STORM 和 PALM)中的定位过程13-16。
实现FIONA的关键步骤在于收集光子的数量,该数量受多种因素影响。例如,用于FIONA实验的TIRFM装置应精确对准,以获得良好的PSF(即 未拉伸,未染色 等等。)时,即可获得合理的信噪比。此外,应使用数值孔径(NA)较高的物镜,以尽可能多地收集光子。
为了收集更多光子,从...
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作者声明不存在任何竞争性财务利益。
本工作得到了美国国立卫生研究院(NIH)基金068625、美国国家科学基金会(NSF)基金1063188以及生命细胞物理学中心基金0822613的支持。特别感谢贝克曼先进科学与技术研究所的 Marina Marjanovic 博士惠赠兔眼。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 双面胶带 | 3M | ~75 µ微米厚 | |
| EMCCD相机 | Andor Technology | DU-897E-CS0-#BV | |
| 超声波清洗机 | 布拉索斯 | 2510 | |
| 荧光滤光片组 | Chroma | 49016 | |
| 肌动蛋白聚合缓冲液 | 细胞骨架 | BSA02 | |
| 生物素标记的G-肌动蛋白 | 细胞骨架 | AB07 | |
| G-肌动蛋白 | 细胞骨架 | AKL95 | |
| 通用肌动蛋白缓冲液 | 细胞骨架 | BSA01 | |
| 激光快门(带驱动器) | Electro-Optical Products Corp. | SH-10-MP | |
| IDL | Exelis Visual Information Solutions | ||
| Neutravidin | Fisher Scientific | PI-31000 | |
| 盖玻片 | Fisherbrand | 22X30-1.5 | 0.16–0.19 mm 厚 |
| 显微镜载玻片 | 金印载玻片 | 30103X1 | 0.93–1.05 毫米厚 |
| 等离子清洗机 | Harrick Plasma | PDC-001 | |
| 玻璃底培养皿 | 体外科学 | D35-20-1.5-N | |
| Cy3-DNA 寡核苷酸 | Integrated DNA Technologies | 5'-Cy3/GCCTCGCTGCCGTCGCCA-3'生物素 | |
| 荧光微球 | Invitrogen | T-7280 | |
| Qdot 605-链霉亲和素 | Invitrogen | Q10101MP | |
| Qdot605 | Invitrogen | Q21301MP | |
| Qdot705 | Invitrogen | Q22021MP | |
| Qdot705 抗体偶联试剂盒 | Invitrogen | Q22061MP | |
| MATLAB | MathWorks | ||
| 光学平台 | Newport 公司 | RS4000 系列 | |
| 60倍物镜 | 尼康 | Plan Apo VC 60x WI | |
| 100倍物镜 | Olympus | PlanApo 100X/1.45 油镜 ∞/0.17 | |
| 60倍物镜 | Olympus | UPlanApo 60X/1.20W | |
| 倒置显微镜 | Olympus | IX71/IX70/IX81 | |
| 起源 | OriginLab | ||
| 抗FLAG抗体 | Sigma Aldrich | F7425-.2MG | |
| ATP | Sigma Aldrich | A7699 | |
| BME | Sigma Aldrich | 63689-25ML-F | |
| BSA | Sigma Aldrich | A7906 | |
| BSA-生物素 | Sigma Aldrich | A8549-10MG | |
| CK | Sigma Aldrich | C3755 | 兔肌酸磷酸激酶 |
| CP | Sigma Aldrich | P1937 | 磷酸肌酸二(三羟甲基氨基甲烷)盐 |
| DTT | Sigma Aldrich | 43815 | DL-二硫苏糖醇 |
| EGTA | Sigma Aldrich | E3889 | 乙二醇双(2-氨基乙基醚)-N,N,N′,N′四乙酸 |
| HCl | Sigma Aldrich | 93363-500G | |
| HEPES | Sigma Aldrich | H0887 | |
| KCl | Sigma Aldrich | P9333 | |
| MgCl2 | Sigma Aldrich | M1028 | |
| NaCl | Sigma Aldrich | S7653 | |
| 主成分分析 | Sigma Aldrich | 03930590 | 原儿茶酸 |
| 程序性细胞死亡 | Sigma Aldrich | P8279 | 原儿茶酸-3,4-双加氧酶 |
| TMOS | Sigma Aldrich | 341436-25G | 正硅酸四甲酯 |
| Tris-HCl | Sigma Aldrich | 93363 | |
| Trolox | Sigma Aldrich | 238813 | 6-羟基-2,5,7,8-四甲基色满-2-羧酸 |
| 1” 带安装架的直径宽带介质镜 | Thorlabs | BB1-E02,KM100 | 数量:2 |
| ½” 直径柱 | Thorlabs | TR4 | 数量 ≥ 6 |
| 10倍扩束镜 | Thorlabs | BE10M-A | |
| 2” 直径 f = 300 mm 带镜座透镜 | Thorlabs | LA1256-A,LMR2 | TIR透镜 |
| 荧光对齐靶标 | Thorlabs | VRC2SM1 | |
| 激光安全护目镜 | Thorlabs | LG3 | |
| 中性密度滤光片 | Thorlabs | FW1AND | |
| 光束分析仪 | Thorlabs | BP209-VIS | |
| 后置式虹膜光圈 | Thorlabs | ID25 | 数量:2 |
| 剪切干涉仪 | Thorlabs | SI100 | |
| XYZ 平移台, ½” 旅行 | Thorlabs | T12XYZ | |
| 激光 | World Star Technologies | TECGL-30 | 532 nm,30 mW |
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