由哥廷根马克斯普朗克多学科科学研究所(MPI)和海德堡马克斯普朗克医学研究所的物理学家SteffenSahl和StefanHell领导的团队使用光学显微镜成功测量了生物分子内的距离，精确到1纳米，精度达到埃。

以埃级精度光学测量生物分子内的分子距离

MINFLUX显微镜实现的分子内分辨率使得光学记录大分子中亚基之间的空间距离成为可能，从而可以在光学显微镜下检测单个蛋白质的不同构象。研究人员已将他们的研究成果发表在《科学》杂志上。

在活细胞的纳米宇宙中，它是什么样子的?荧光显微镜使人们能够看到细胞或组织中的特定分子，并已成为生物和基础医学研究不可或缺的一部分。借助MINFLUX显微镜等新的高分辨率荧光纳米显微镜概念，即使是间距很近的生物分子也可以使用光学显微镜相互分离。

准确地对细胞内部进行成像是一回事，但是荧光显微镜是否也可以用于测量单个蛋白质或其他大分子内的细节?

正如萨尔和赫尔领导的研究人员现在所证明的那样，这是可能的。而且效果非常好。

在他们最新的研究中，研究小组表明，MINFLUX方法还可以用于光学测量两个荧光分子标记之间的三维距离，每个荧光分子标记都附着在大分子的特定位置，并且精度达到埃级。

使用MINFLUX可以测量两个空间锚定的荧光分子之间几纳米的距离，但不太容易通过实验实现或证明。

“在小于5到10纳米的距离内，大小约为1纳米的荧光分子经常相互作用。因此，它们无法彼此独立地发射荧光，而这是可靠距离测量的先决条件，”该研究的主要作者Sahl解释说。

这位物理学家说：“与许多人一样，我对斯蒂芬·赫尔提出和开发的MINFLUX方法所具有的高空间分辨率和精度着迷。”

“我们在工作开始时就进行了估计：蛋白质的尺寸就是这么小，原则上我们可以达到这么精确。为什么我们不能在生物分子内实现分辨率呢?”

因为到目前为止，检测两种蛋白质或其亚基之间的纳米距离一直是称为福斯特共振能量转移(简称FRET)的方法的专利，这是结构和分子生物学中的标准方法。

进入FRET范围

Sahl、Hell及其同事现在也利用MINFLUX显微镜将分辨率提升到了这一水平。他们使用了MPI多学科科学研究所专门开发的光激活荧光分子，这些分子可以用少量紫外线依次“开启”，但彼此之间不会发生相互作用。

这样，大分子中需要测量的位置就可以用单个荧光分子标记，并以埃级精度独立记录。

“我们已经证明，使用MINFLUX可以测量所有距离，直至荧光分子的直接接触。为此，只需确定分子在二维或三维(即2D或3D)中的位置即可，”Sahl解释道。“通过我们的实验，我们达到了FRET的距离范围，甚至超越了它。”

另一方面，FRET是通过从一种染料到另一种染料的能量转移来间接估计两种染料分子之间的距离。不仅距离，染料分子的方向也会影响测量结果。这在精确测量分子内距离时会导致不确定性。

当蛋白质亚基移动到可测量的距离范围之外时，FRET方法在蛋白质亚基研究中也经常受到限制。

“这就是MINFLUX方法可以展示其优势的地方，它能够正确地表示所有可以想象到的距离，精确到1纳米，没有任何间隙，”Hell说。

“因此，MINFLUX是结构生物学领域中研究蛋白质和其他生物分子及其相互作用的一种新的、非常强大的工具。”

分子统治者和小蛋白质分子

为了证明精确的距离测量和准确度，研究小组使用了一种分子，该分子实际上是20世纪60年代一项经典实验中FRET方法的起源。

当时，LubertStryer和RichardHaugland成功证实​​了TheodorFörster于1948年发表的距离依赖性。为此，他们使用了平均长度确定的分子“标尺”，即聚脯氨酸。如今，马克斯·普朗克的研究人员在实验中使用了这些标尺，并表明该方法原则上甚至可以在细胞中使用。

与马克斯·普林斯顿理工学院多学科科学系StefanJakobs研究小组合作，使用MINFLUX方法对人类细胞中荧光标记的层蛋白进行单独成像，这些蛋白在细胞核周围的膜上形成约3纳米细丝。

此外，科学家还通过对其他小蛋白质(称为纳米抗体)及其低聚物的实验证明了MINFLUX的潜力。

他们以抗体分子为例，展示了如何通过多种位置测量来确定蛋白质亚基相对于彼此的空间位置。

该团队与马克斯·普林斯顿理工学院多学科科学系ChristianGriesinger合作，利用细菌柠檬酸传感器的两个相同亚基，证明了甚至可以测量1纳米的距离。MINFLUX显微镜还清楚地揭示了亚基的两种结构排列，精度在1埃范围内。

2023年初，马克斯·普朗克科学家首次在美国生物物理学会年会上展示了这些成果。

赫尔因超分辨率显微镜的发明于2014年荣获诺贝尔化学奖，他对此感到很高兴。“自从我们在2016年首次展示MINFLUX概念以来，它再次从根本上突破了光学显微镜的界限。能够在大分子内进行解析在2014年是无法预见的。”