——新型基于單分子級(jí)別熒光共振能量轉(zhuǎn)移(smFRET)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)生物學(xué)共聚焦顯微鏡系統(tǒng)

量化單分子和時(shí)間分辨熒光技術(shù)，為很多生命科學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域提供了新的視野。迄今為止，因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)采集和分析需要具備較為專業(yè)的背景知識(shí)，使得該技術(shù)的普及非常緩慢?，F(xiàn)在，PicoQuant可以提供一款全新的共聚焦顯微系統(tǒng)——單光子計(jì)數(shù)共聚焦顯微鏡系統(tǒng)Luminosa，它具備先進(jìn)的軟硬件組合，在簡(jiǎn)化日常操作流程的前提下，能有效的為操作者呈現(xiàn)高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其配備的軟件為每種應(yīng)用技術(shù)都設(shè)定了標(biāo)準(zhǔn)化的引導(dǎo)操作流程。

本文將為您介紹單光子計(jì)數(shù)共聚焦顯微鏡Luminosa系統(tǒng)如何簡(jiǎn)化單分子熒光共振能量轉(zhuǎn)移(smFRET)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

單光子計(jì)數(shù)和計(jì)時(shí)應(yīng)用開啟了一個(gè)全新的實(shí)驗(yàn)維度

共聚焦熒光顯微鏡在過(guò)去四十年中越來(lái)越受歡迎，因?yàn)槠淇梢暬瘎?dòng)態(tài)過(guò)程和細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使其成為一種用于分子、細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)的常規(guī)主力儀器。除了成像之外，點(diǎn)測(cè)量相關(guān)的實(shí)驗(yàn)方法，例如熒光相關(guān)光譜(FCS)和單分子熒光共振能量轉(zhuǎn)移(smFRET)也在生物物理學(xué)領(lǐng)域日漸普及。最近發(fā)展起來(lái)引入時(shí)間分辨的實(shí)驗(yàn)方法更是頗為引人注目。

對(duì)熒光基團(tuán)熒光壽命的測(cè)量，揭示了新的信息維度，可以和光譜信息相互補(bǔ)充。每個(gè)熒光基團(tuán)的熒光壽命信息是只有的，因此可以作為多重檢測(cè)的識(shí)別特征。它同時(shí)也可以被單分子間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移所影響，例如，由于受體的存在導(dǎo)致供體壽命下降而反應(yīng)出的熒光共振能量轉(zhuǎn)移效率。

迄今為止，使用時(shí)間分辨熒光技術(shù)的門檻相對(duì)較高，需要專業(yè)的背景知識(shí)。而全新的單光子計(jì)數(shù)共聚焦顯微鏡系統(tǒng)Luminosa大大降低了使用門檻，并且將多種時(shí)間分辨工具集成統(tǒng)一。并為以下研究領(lǐng)域提供新的視野:
?單分子級(jí)別的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)生物學(xué)
?相位分離引起的細(xì)胞機(jī)制
?環(huán)境監(jiān)測(cè)
?細(xì)胞膜的動(dòng)態(tài)和結(jié)構(gòu)成像
?功能性的納米囊泡特性檢測(cè)
?研究單分子級(jí)別下的化學(xué)反應(yīng)
?先進(jìn)材料的特性表征
?質(zhì)量和穩(wěn)定性檢測(cè)

在這些研究領(lǐng)域中，實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)是一個(gè)難題?？赡艿脑蛑辉谟谒褂玫娘@微方法的細(xì)節(jié)描述不充分。為了提升準(zhǔn)確性，可重復(fù)性以及實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，通過(guò)顯微系統(tǒng)的自動(dòng)化來(lái)減少人為誤差是一個(gè)潛在的可行方案，例如，硬件部件的自動(dòng)化，以及將傳感單元集成到智能軟件中。這也增加了成像系統(tǒng)的易用性，總而言之，為研究人員節(jié)省了寶貴的時(shí)間和材料。此外，自動(dòng)化提高了通量，甚至開辟了新的實(shí)驗(yàn)可能性，如延時(shí)成像、多位置成像或多點(diǎn)時(shí)間軌跡。

直觀的工作流程，易于使用

單光子計(jì)數(shù)共聚焦顯微鏡系統(tǒng)Luminosa在壽命測(cè)量領(lǐng)域有著最佳的性能表現(xiàn)。該顯微系統(tǒng)同樣對(duì)于單分子靈敏度進(jìn)行了優(yōu)化，可以進(jìn)行單分子級(jí)別的各種實(shí)驗(yàn)。我們通過(guò)MicroTime200系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了這個(gè)全新的顯微鏡系統(tǒng)，并為它挑選了一批最佳硬件組合。通過(guò)精簡(jiǎn)和優(yōu)選后的光學(xué)元件使得該系統(tǒng)達(dá)到了很高的靈敏度水平。

用戶既可以選擇使用高速的振鏡系統(tǒng)進(jìn)行掃描成像，也可以一鍵切換為壓電平移臺(tái)的物鏡掃描模式。這種切換功能目前在其他顯微系統(tǒng)中是沒(méi)有的。壓電掃描成像避免了振鏡掃描模式下的信號(hào)損失，根據(jù)波長(zhǎng)的不同，大約可以提升20-30%左右的光子信號(hào)。用戶同時(shí)也可以選擇時(shí)間響應(yīng)更優(yōu)秀的混合式光電倍增管探測(cè)器，或者高探測(cè)靈敏度的單光子雪崩二極管作為定制配置。

超簡(jiǎn)單的界面操作流程

單光子計(jì)數(shù)共聚焦顯微鏡系統(tǒng)Luminosa軟件是從頭開始創(chuàng)建的。它的設(shè)計(jì)使其工作流程簡(jiǎn)單快捷，使用戶能夠更加專注于樣品特性本身。良好的交互界面布局，清晰排列的界面僅顯示與每個(gè)應(yīng)用相關(guān)的參數(shù)，保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的重復(fù)精度。單光子計(jì)數(shù)共聚焦顯微鏡系統(tǒng)Luminosa軟件包括smFRET功能，F(xiàn)CS熒光相關(guān)光譜，以及時(shí)間分辨成像功能，同時(shí)也具備有自定義測(cè)量和分析模式。

系統(tǒng)只需單擊一個(gè)按鈕，在不到一分鐘的時(shí)間內(nèi)，便可完成無(wú)樣品自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)非常準(zhǔn)確，無(wú)需進(jìn)一步優(yōu)化即可直接進(jìn)行FCS熒光相關(guān)光譜測(cè)量，所以通過(guò)簡(jiǎn)單的操作就可以確保系統(tǒng)始終處于相同的最佳狀態(tài)。

開始操作時(shí)，用戶選擇在下一個(gè)實(shí)驗(yàn)中使用哪種測(cè)量技術(shù)方法。軟件中清晰排列的軟件界面僅顯示該類型測(cè)量所需的參數(shù)，從而將意外錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)降至最小。根據(jù)選擇樣品中存在的熒光團(tuán)，硬件會(huì)自動(dòng)正確配置。然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境分配分析通道。大多數(shù)商用LSM共聚焦顯微系統(tǒng)中已經(jīng)提供了類似的功能，但是現(xiàn)在還設(shè)置了對(duì)時(shí)間分辨測(cè)量很重要的其他參數(shù)（例如激光的重復(fù)頻率），從而減少對(duì)用戶所需專業(yè)知識(shí)的要求。設(shè)置的保存和加載，保證了測(cè)量的可重復(fù)性。此外，適當(dāng)?shù)脑紨?shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)一起保存，方便以后查詢使用。

圖2. 使用532nm和640 nm脈沖交錯(cuò)激發(fā)和雙通道檢測(cè)的smFRET實(shí)驗(yàn)的硬件和分析設(shè)置屏幕截圖，產(chǎn)生三個(gè)邏輯分析通道。

激發(fā)光的功率校準(zhǔn)模塊同時(shí)可以提供設(shè)置和顯示激發(fā)功率(單位μw，如圖2)的功能，并且不需要額外的功率測(cè)量設(shè)備。自動(dòng)調(diào)節(jié)耗時(shí)不到十秒，而且可以在不移動(dòng)樣品的情況下連續(xù)進(jìn)行。參考文獻(xiàn)[2]表明了激發(fā)光強(qiáng)的精確控制在可重復(fù)精度中的重要性，例如它會(huì)影響到光漂白，光毒性等等，從而在結(jié)果中引入不確定性。 這個(gè)問(wèn)題對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響非常大， QUAREP - LiMi (光顯微鏡質(zhì)量和重復(fù)精度評(píng)估組織)也將激發(fā)光功率的控制放在工作的首要位置。

在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，會(huì)實(shí)時(shí)顯示多個(gè)在線預(yù)覽。這樣用戶就可以把控樣品的情況，從而進(jìn)一步進(jìn)行正確的采集參數(shù)設(shè)定。在線實(shí)時(shí)分析實(shí)際上是一種動(dòng)態(tài)幫助信息，旨在提高采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

新軟件結(jié)合了用于熒光壽命成像(FLIM)，熒光相關(guān)光譜(FCS)和單分子檢測(cè)的GPU加速算法。 強(qiáng)大的算力使得其可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析程序，并將有關(guān)實(shí)驗(yàn)類型、硬件配置、熒光團(tuán)和數(shù)據(jù)維度的信息考慮在內(nèi)，因此無(wú)需用戶交互即可獲得初始結(jié)果。盡管如此，原始數(shù)據(jù)保持不變，以便于以后可以使用不同的參數(shù)設(shè)置重新分析。

基于動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的單分子熒光共振能量轉(zhuǎn)移(smFRET)

圖3. 典型的smFRET應(yīng)用 - 研究蛋白和DNA的作用

單分子研究，以及更具體的smFRET方法學(xué)，已成為研究蛋白質(zhì)和核酸動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化的標(biāo)準(zhǔn)工具。這些實(shí)驗(yàn)方法可以揭示在納秒到秒級(jí)別的時(shí)間維度上的動(dòng)態(tài)活動(dòng)過(guò)程。例如成鏈動(dòng)力學(xué)，蛋白的結(jié)合，折疊，探測(cè)變構(gòu)信號(hào)，寡聚化以及聚集現(xiàn)象，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)其他實(shí)驗(yàn)方法，例如電鏡，核磁共振等，進(jìn)行了有效的補(bǔ)充。這樣完整的數(shù)據(jù)就可以被歸檔到到綜合結(jié)構(gòu)模型的存檔系統(tǒng)PDB-Dev [3]。近年來(lái)，內(nèi)在無(wú)序蛋白質(zhì)的生物學(xué)相關(guān)性研究越來(lái)越多，突出了這些方法的力量。

smFRET測(cè)試既可以在分子自由移動(dòng)的溶液中進(jìn)行，也可以對(duì)分子固定在蓋玻片表面上的樣品實(shí)施探測(cè)。單光子計(jì)數(shù)共聚焦顯微鏡系統(tǒng)Luminosa為兩種樣品分別提供了專門的工作流程。

選擇正確的FRET對(duì)信息后，硬件會(huì)自動(dòng)切換到對(duì)應(yīng)的配置，即設(shè)置激發(fā)波長(zhǎng)和功率，啟用供體和受體的脈沖交錯(cuò)激發(fā)，并選擇正確的檢測(cè)器和發(fā)射濾光片，如圖2所示。此外，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件選擇分析通道：供體激發(fā)后的供體發(fā)射，供體激發(fā)后的敏化受體發(fā)射和直接受體激發(fā)后的受體發(fā)射作為對(duì)照?？梢赃x擇不同的停止條件進(jìn)行采集。例如，在分子溶液樣品測(cè)試時(shí)，停止條件可以是爆發(fā)發(fā)射數(shù)量、總時(shí)間、爆發(fā)頻率的減少量等等。這有助于收集具有充分統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的一致數(shù)據(jù)集。

采集數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)顯示四種在線數(shù)據(jù)預(yù)覽: FRET效率（E）與化學(xué)計(jì)量（S）的直方圖、爆發(fā)直方圖、強(qiáng)度時(shí)間軌跡和TCSPC直方圖，以及用于供體和受體壽命衰減的在線擬合。E和S在線計(jì)算并顯示在E/S直方圖中。根據(jù)[4]中的數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)步驟，這些在線數(shù)據(jù)通過(guò)四種因子進(jìn)行校正。這些校正因子分別是：光譜串?dāng)_因子α，激發(fā)波動(dòng)因子β，探測(cè)效率因子γ以及直接激發(fā)因子δ。校正后以及未校正數(shù)據(jù)都在圖4中有所顯示，這樣就可以評(píng)估校正步驟帶來(lái)的影響，這些因子在隨后都可以手動(dòng)進(jìn)行修改。

圖4. E/S直方圖將單個(gè)FRET爆發(fā)的值顯示為單個(gè)點(diǎn)，綠色為校正后的曲線，紅色為未校正曲線。

分子穿過(guò)固定的激光聚焦光斑時(shí)，所發(fā)出的熒光信號(hào)被采集。這些信號(hào)可以連同共聚焦針孔大小來(lái)確定聚焦光斑的體積。觀察時(shí)間窗口，例如，爆發(fā)持續(xù)時(shí)間是由聚焦體積來(lái)決定的。在衍射極限級(jí)別的聚焦體積下，極短時(shí)間內(nèi)就有高量級(jí)的光子產(chǎn)出，可以被用于監(jiān)控快速的分子動(dòng)態(tài)過(guò)程。增大聚焦體積的同時(shí)會(huì)延長(zhǎng)爆發(fā)持續(xù)時(shí)間，如圖5所示。這樣就可以觀察慢速分子的動(dòng)態(tài)過(guò)程和測(cè)量大分子較緩慢的擴(kuò)散特性。總體上說(shuō)，如[5]中表述的，“更大的聚焦體積，結(jié)合高功率的激發(fā)，每個(gè)爆發(fā)持續(xù)時(shí)間能產(chǎn)出最高的光子量級(jí)"。單光子計(jì)數(shù)共聚焦顯微鏡系統(tǒng)Luminosa能夠根據(jù)激發(fā)波長(zhǎng)的不同，將觀察體積從衍射極限的3倍增加到6倍。在軟件中點(diǎn)擊一個(gè)按鈕，可以減小激發(fā)光束直徑，對(duì)物鏡進(jìn)行下充，相應(yīng)調(diào)整光路和共焦探測(cè)針孔的大小，從而增加有效觀測(cè)體積。

圖5. 爆發(fā)持續(xù)時(shí)間對(duì)比圖，紅色為較大聚焦體積下，藍(lán)色為較小聚焦體積下。

在研究分子固定在表面的樣品時(shí)，用戶既可以選擇壓電掃描臺(tái)來(lái)獲得更多的光信號(hào)，也可以選擇振鏡掃描方式來(lái)快速成像。樣品自動(dòng)保持對(duì)焦，而平鋪和拼接可實(shí)現(xiàn)大面積成像，如圖6所示。

圖6. 用Cy3B和Atto647N標(biāo)記的單DNA折紙固定在表面上。九張成像圖片拼接成了一張21x21µm的圖像。右圖：?jiǎn)螐埿D的FLIM分析結(jié)果。上圖：平均壽命圖。下圖：多指數(shù)壽命擬合結(jié)果疊加圖。樣品數(shù)據(jù)由弗里堡大學(xué)，物理學(xué)院提供。

采集到一個(gè)成像圖塊后，通過(guò)自動(dòng)算法在特定標(biāo)準(zhǔn)下，測(cè)算出單分子的位置。隨后對(duì)這些單分子進(jìn)行逐個(gè)探測(cè)，并在停止條件達(dá)到之前記錄其光強(qiáng)隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。然后，下一個(gè)圖塊區(qū)域?qū)⒈粧呙韬统上瘢源祟愅?。通過(guò)這種方式，可以輕松獲得具有足夠統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集。

討論和展望

單光子計(jì)數(shù)共聚焦顯微鏡系統(tǒng)Luminosa的自動(dòng)化工作流程提高了系統(tǒng)的易用性并減少了人為錯(cuò)誤，從而節(jié)省了研究人員的寶貴時(shí)間和樣品材料。重要的是，自動(dòng)設(shè)置的參數(shù)值可以保存為元數(shù)據(jù)，而在手動(dòng)系統(tǒng)中，必須手動(dòng)記錄這些值。綜上所述，與手動(dòng)操作的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)提高了實(shí)驗(yàn)的精確度、可重復(fù)性和實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。但是，審查配置和設(shè)置（例如染料數(shù)據(jù)庫(kù)條目或丟棄事件的閾值）以確保它們適合新實(shí)驗(yàn)仍然是很重要的。

許多專業(yè)的知識(shí)應(yīng)用于制定系統(tǒng)的工作流程和參數(shù)設(shè)定中，所以實(shí)際使用人員并不需要具備相關(guān)專業(yè)知識(shí)。即便如此，在樣品制備和數(shù)據(jù)闡釋方面，用戶仍然需要一定的知識(shí)儲(chǔ)備。

PicoQuant持續(xù)研發(fā)新的熒光顯微鏡科研工具，例如光譜分辨FLIM系統(tǒng)，結(jié)合了壽命和光譜信息，可同時(shí)并行多目標(biāo)成像，詳情參閱文章[6]和[7]。PicoQuant同時(shí)活躍于各種與學(xué)術(shù)界合作的研究項(xiàng)目中，來(lái)拓展新型顯微系統(tǒng)的概念和實(shí)驗(yàn)方法。例如，NG-FLIM計(jì)劃，旨在實(shí)現(xiàn)一種高空間分辨率和高時(shí)間分辨率的顯微系統(tǒng)，這樣可以更加簡(jiǎn)便和精確的在活體細(xì)胞和組織中快速觀察膜受體的情況。不同的光學(xué)方法再結(jié)合起來(lái)以提高成像的對(duì)比度，基于深度學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)處理方式用于自動(dòng)化的數(shù)據(jù)評(píng)估。這項(xiàng)計(jì)劃的參與者包括PicoQuant、Nanotag Biotechnologies、Arivis、哥廷根大學(xué)以及哥廷根中心醫(yī)藥大學(xué)。該計(jì)劃由德國(guó)聯(lián)邦教育和研究部的"Photonics Research in Germany"項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào) 13N15324)撥款。另一個(gè)例子就是糾纏態(tài)的雙光子吸收，可以被應(yīng)用于化學(xué)選擇性熒光顯微鏡。PicoQuant正與弗勞恩霍夫應(yīng)用光學(xué)和精密工程研究所、M Squared Lasers以及耶拿大學(xué)一起合作研究此主題。該方向同樣由德國(guó)聯(lián)邦教育和研究部支持，隸屬于LIVE2QMIC(13N15953)研究項(xiàng)目。

結(jié)論

PicoQuant的新型單光子計(jì)數(shù)共聚焦顯微鏡系統(tǒng)Luminosa可以幫助研究者輕松的將單分子時(shí)間分辨熒光顯微實(shí)驗(yàn)方法廣泛應(yīng)用于生命和材料科學(xué)研究領(lǐng)域，而不需要操作者本身具備豐富的經(jīng)驗(yàn)。得益于新的軟件功能與先進(jìn)的硬件相結(jié)合，并且更好地集成了硬件和軟件，該系統(tǒng)以可重復(fù)的方式快速提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。這使研究人員能夠自信地采用smFRET等新方法，從新的角度觀察樣品。

[1] M.Baker: 1,500 scientists lift the lid on re-producibility，Nature 533 (2016) 452–454。
[2] P.Montero Llopis et al.: Best practices and tools for reporting reproducible fluores-cence microscopy methods，Nat Methods 18 (2021)1463–1476。
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[4] B.Hellenkamp，S.Schmid，O.Doros-henko et al.: Precision and accuracy of single-molecule FRET measurements – a multi-laboratory benchmark study，Nat Methods 15 (2018) 669–676。
[5] G.Agam，C.Gebhardt，M.Popara et al.: Re-liability and accuracy of single-molecule FRET studies for characterization of struc-tural dynamics and distances in proteins.(2022)bioRxiv 2022.08.03.502619。
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[7] S.Rohilla et al.: Multi-target immuno-fluorescence by separation of antibody cross-labelling via spectral-FLIM-FRET，Sci Rep 10 (2020) 3820。

德國(guó)PicoQuant

PicoQuant由四位年輕的科學(xué)家和工程師于1996年成立，致力于發(fā)展真正為科學(xué)家所使用的光學(xué)儀器。該公司注重于在眾多科學(xué)領(lǐng)域?yàn)楦鲊?guó)科研工作者提供創(chuàng)新型和高質(zhì)量的產(chǎn)品。 PicoQuant不忘初衷，砥礪前行，現(xiàn)已成為時(shí)間分辨光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域的行業(yè)者。

關(guān)于作者

Maria Loidolt-Krüger曾就讀于凱澤斯勞滕大學(xué)生物物理系，并在哥廷根普朗克研究所的Stefan Hell小組獲得碩士和博士學(xué)位，專業(yè)方向圍繞STED顯微系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)。2018年畢業(yè)后即加入PicoQuant公司，成為顯微應(yīng)用專家。2022年作為PicoQuant公司科學(xué)內(nèi)容創(chuàng)作者。同時(shí)也在柏林應(yīng)用科技大學(xué)兼職講師，主要方向?yàn)楣怙@微學(xué)。