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《自然·通讯》刊发我院智能互联网重点实验室夏天教授课题组研发自动五维单颗粒追踪新方法

作者:刘贵、张轶发表时间:2017-11-15推荐给好友

1012国际权威学术期刊《自然·通讯》(Nature CommunicationsArticle形式发表了我院智能互联网湖北省重点实验室青年千人计划选者夏天教授课题组和佐治亚州立大学方宁教授课题组合作开发的最新研究成果:自动五维(三维空间的运动加上两个方位角)智能单颗粒追踪新方法。该论文题目为“Characteristic rotational behaviors of rod-shaped cargo revealed by automated five-dimensional single particle tracking”。夏天教授与佐治亚州立大学方宁教授并列通讯作者,我院硕士研究生范欣欣参与重要科研工作。


一个细胞可被视为许多分子马达(molecular motors)在多层面上协同工作的工厂。充分理解这些纳米级的分子机器的工作机制要求我们获取相关的平移和旋转动力学知识。然而,关于在活细胞里的旋转动力学的认知至今仍然非常有限,所以需要通过设计和使用新的工具来拓展实验,并结合计算机模拟来解释这些实验现象。研究者通过在传统的微分干涉差显微成像后焦面加入梯形棱镜(wedge prism)使一半的光产生偏移并和原始光在同一个相机上产生两个镜像图案的方法形成视差微分干涉差显微成像(parallax-DIC)。通过对两个镜像图案的关联系数的分析计算和其距离差所对应的z轴位置的定位,来精确解析金纳米棒在三维空间的位置。


夏天教授课题组基于超高速智能图像处理技术精确地跟踪定位单颗粒在空间中的轨迹该智能方法同时用于精确追踪金纳米棒在细胞上/内的DIC录像和三维空间位置。另外该智能方法可以通过实时控制高精度压电物镜位移器(Objective Scanner)的位置使物镜一直保持在聚焦位置,从而得到最佳的成像效果以确保高精度的取向和旋转追踪。


研究者将该方法运用自动追踪运铁蛋白修饰的金纳米棒活细胞的相互作用。大量实验表明金纳米棒到达细胞膜表面时,倾向于在相对较大的区域内扩撒运动并主动旋转寻找运铁蛋白的细胞膜结合位点此过程中,金纳米棒呈现较大的面外旋转(out-of-plane rotation概率运铁蛋白修饰的金纳米棒找到合适的细胞膜结合位点后由于金纳米棒的二维平面运动受限相对固定在特定区域内旋转。随着网格蛋白结合位点内的逐渐富集,金纳米棒慢慢失去主动旋转能力并最终在一定时间段内停止主动旋转。这个过程中的面内旋转in-plane rotation)概率逐渐增加。通过Clathrin荧光和金纳米棒DIC共定位实验证实运铁蛋白修饰的金纳米棒通过网格蛋白介导的内吞作用被内到细胞内部。网格蛋白介导的内吞作用通过特异性的小干扰RNA干扰实验进一步地得到确认金纳米棒的被内吞后,主动旋转恢复并在短时间内被主动运输intracellular transport)到细胞的其他位置金纳米棒活细胞的这些完整的相互作用过程和细胞内部的维运动被成功自动记录下来。与常见的其他三追踪方法相比,如脱焦成像法等,该技术可以获得更大的追踪范围和更高精度的取向和旋转的追踪,因此该技术研究纳米颗粒和生物体系作用过程的单颗粒的定位取向和旋转信息具有更大的潜力。

:本文图片作者提供以及来自论文

参考文献:

Chen, K.; Gu, Y.; Sun, W.; Bin, D.; Wang, G.; Fan, X.; Xia, T.; Fang, N., Characteristic rotational behaviors of rod-shaped cargo revealed by automated five-dimensional single particle tracking. Nature Communications 2017, 8 (1), 887.