科學人／光學顯微新里程碑！突破奈米 MINFLUX測量精度達埃(Å)級
坐在MINFLUX旁的史特芬·薩爾（左）與史蒂芬·赫爾（右）。圖／ © Irene Böttcher-Gajewski / Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences
螢光顯微鏡是現今探索活體細胞內部世界的必備工具，但要透過光學方式測量單一蛋白質內部的分子結構，一直是一項艱鉅的挑戰。
最近由馬克斯普朗克多學科科學研究所（Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences）物理學家史特芬·薩爾（Steffen Sahl）與史蒂芬·赫爾（Stefan Hell）領導的團隊，運用一項名爲MINFLUX的超高解析顯微技術，成功以埃（Å,10-10 m）級精度測量生物分子內的距離，再次推進了光學顯微技術的極限。
研究成果已發表於《科學》（Science）期刊。
光學顯微的新里程碑：MINFLUX
MINFLUX是一種創新型的超解析度顯微技術，這項技術結合了兩種超解析度的優勢：使用類似點定位顯微鏡（如PALM和STORM）的隨機定位技術，並融入像STED顯微鏡那樣精確鎖定單一分子的能力。核心原理是用極低強度的「甜甜圈」光束掃描發光分子，最大限度地減少所需光子數，同時提升測量精度。
傳統螢光共振能量轉移（Förster Resonance Energy Transfer, FRET）技術雖可估算奈米距離，但測量結果可能受到染料分子方向及能量傳遞的影響。MINFLUX不僅解決了這些問題，還能測量到分子間的直接接觸距離。研究團隊使用馬克斯普朗克研究所開發的特殊螢光分子，這些分子能逐一被激發，不會互相干擾，從而確保測量的準確性。
這次突破不僅限於觀察細胞內部，而是成功測量了巨分子內部的三維距離。研究團隊運用MINFLUX技術，測量附着在巨分子特定位置的兩個螢光標記間的距離，且測量精度可達到1奈米甚至1埃。
用「分子尺」驗證測量精度
爲了展示MINFLUX的精準度，研究團隊特地找來1960年代的經典分子工具——聚脯氨酸（polyproline）分子「尺」，這些尺具有固定的平均長度。這種分子最早由盧伯特·史崔爾（Lubert Stryer）和理查·霍格蘭（Richard Haugland）用於驗證狄奧多·福斯特（Theodor Förster）的距離依賴性理論。
不同長度的聚脯氨酸（polyprolines），是一種相對較硬的多肽，可充當「分子尺」，以展示在螢光共振能量轉移（FRET）距離範圍內的最高 MINFLUX 解析度。圖／© Steffen J. Sahl / Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences
在與史特凡·雅各布斯（Stefan Jakobs）團隊的合作中，他們利用 MINFLUX 方法，分別成像了人類細胞中帶有螢光標記的 Lamin 蛋白。這些 Lamin 蛋白在細胞核膜周圍形成約 3 奈米厚的細絲。此外，科學家們透過其他小型蛋白（稱爲奈米抗體，nanobodies）及其寡聚體的實驗，展示了 MINFLUX 的潛力。
團隊還嘗試測量了細菌檸檬酸受器內兩個次單元的相對位置，MINFLUX清楚展示了次單元的兩種結構排列，解析度達到了 1 Å 範圍的精度。
細菌檸檬酸受器的兩個相同次單元呈現反向平行（上）和正向平行（下）排列。透過 MINFLUX 進行的光學 3D 位置測量，能夠精確地檢測由這些次單元所形成的二聚物的兩種狀態。圖／© Steffen J. Sahl / Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences
再創光學顯微技術的新高度
史蒂芬·赫爾曾在2014年因超解析度顯微技術榮獲諾貝爾化學獎。他表示：「自從我們2016年提出MINFLUX技術概念後，它已經不斷突破光學顯微的極限。現在我們能解析巨分子內部，這在當年是難以想像的。」
資料來源：
1. Intra-molecular distances in biomolecules measured optically with Ångström precision
2. Steffen J. Sahl et al, Direct optical measurement of intramolecular distances with angstrom precision, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adj7368
3. MINFLUX enhances super-resolution microscopy
延伸閱讀
（本文出自2024.10.15《科學人》網站，未經同意禁止轉載。）