✦
•
显微镜下的“魔法”
还记得小时候玩的荧光棒吗？轻轻一摇，就能发出五彩斑斓的光芒，给我们的童年增添了许多乐趣。而在科学家的实验室里，也有一种“荧光棒”，它们比荧光棒更神奇，可以让我们“看到”微观世界的精彩瞬间，甚至生物活动的“电影”。
这种“魔法”就是荧光显微镜，它利用荧光染料和荧光蛋白的特性，将微观世界的结构、功能和动态变化“照亮”。荧光染料和荧光蛋白就像显微镜下的“小精灵”，它们能够吸收特定波长的光，并将其转化为不同波长的荧光，从而让我们“看到”显微镜下的世界。
“小精灵”的烦恼
然而，这些“小精灵”并不能永远“发光”。它们会在光照下逐渐褪色，这个过程被称为光漂白。
光漂白的“元凶”
荧光分子吸收光子后，会进入激发态，并逐渐释放能量回到基态。在这个过程中，荧光分子可以通过两种方式释放能量：发光和非辐射衰减。
非辐射衰减： 非辐射衰减是指荧光分子通过其他途径释放能量，而不发光的过程。例如，荧光分子可以与其他分子碰撞，或者自身发生振动，从而释放能量。非辐射衰减会降低荧光分子的量子产率，使其发出的荧光变弱。
光氧化： 光氧化是指荧光分子在光照下发生氧化反应，从而改变其结构，导致荧光减弱或消失。光氧化是荧光蛋白光漂白的主要原因之一。
光漂白的“后果”：
缩短成像时间： 光漂白会导致荧光强度下降，从而缩短成像时间，影响实验结果的准确性。
产生有毒物质： 光漂白过程中可能会产生一些有毒物质，例如自由基，这些物质可能会对细胞造成损伤，甚至杀死细胞。
降低成像质量： 光漂白会导致荧光信号变弱，从而降低成像质量，影响对微观世界的观察。
因此，科学家们一直在寻找让荧光染料和荧光蛋白更“耐久”的方法。
文章重点✦
•
小精灵”的新“魔法”
魔法一：加固荧光蛋白
为了提高荧光蛋白的耐光性，科学家们可以通过改变蛋白质支架的结构，使其更稳定，从而延长荧光寿命。例如，mCherry-XL 和 mScarlet3 这两种红色荧光蛋白，就比传统的 mCherry 更亮，也更耐光。它们通过“加固”蛋白质的 β-桶结构，阻止了发色团发生分子重排，从而减少了非辐射衰减。
魔法二：关闭非辐射途径
为了提高荧光分子的量子产率，科学家们可以通过模拟计算，预测并阻止荧光分子发生非辐射衰减。例如，科学家们发现了一种方法，可以使 EGFP 荧光蛋白的耐光性提高 80 倍。他们发现，EGFP 荧光蛋白中存在一个非辐射途径，电子会从发色团转移到酪氨酸残基上，从而改变发色团的发光特性。通过将酪氨酸替换为亮氨酸，就可以阻断这个非辐射途径，提高 EGFP 的耐光性。
魔法三：量身定制荧光染料
荧光染料是一种人工合成的荧光分子，它们通常具有更高的荧光强度和更好的光稳定性。然而，传统的荧光染料合成方法需要使用强酸或强碱等条件，限制了它们的进一步发展。
为了克服这个难题，科学家们正在利用现代合成技术，对经典染料进行改造，使其更亮、更耐光。例如，Janelia Fluor 系列染料，就比传统的罗丹明染料更亮、更耐光。它们通过改变染料分子的结构，阻止了分子内部的非辐射衰减，从而提高了量子产率。
魔法四：光激活成像
光激活成像是一种新的成像技术，它可以避免荧光分子过度激发，从而减少光漂白的发生。在光激活成像中，荧光分子只有在特定波长的光照射下才会发出荧光，从而避免了不必要的激发和光漂白。
研究讨论✦
•
荧光显微镜作为生命科学的利器，让我们得以窥见微观世界的奥秘。然而，荧光染料和荧光蛋白的“褪色”问题，一直制约着荧光显微镜的应用。
为了克服这一难题，科学家们不断探索新的方法，开发出各种“魔法”，让荧光染料和荧光蛋白能够更持久地“发光”。这些“魔法”不仅提高了荧光显微镜的成像质量，还为我们探索微观世界的奥秘提供了新的工具。 例如，科学家们可以利用耐光性强的荧光染料和荧光蛋白，观察神经元细胞树突中毫秒级的电压变化，从而揭示神经元信息处理和学习的机制。
未来，随着荧光材料和技术的发展，荧光显微镜将变得更加强大，帮助我们解开更多生物之谜。 例如，科学家们正在开发更亮、更耐光的荧光材料，以及开发新的成像技术，例如超分辨率显微镜和光片显微镜等。这些新技术将帮助我们以更高的分辨率、更快的速度、更深的层次观察微观世界，从而推动生命科学的发展，并为人类健康事业做出更大的贡献。
参考文献
[1] YAriana Remmel .TOWARDS BRIGHTER AND MORE
PHOTOSTABLE FLUOROPHORES. Nature, 630, 258-260.
END
文案 |陆细刚
排版 | 陆细刚
审核 | 陆细刚
发布｜姜笑南
世界生命科学大会
RECRUIT
关注我们，获取生命科学
学界前沿｜促进更多的学术交流与合作
业界前沿｜促进更快的产品创新与应用
政策前沿｜促进更好的治理实践与发展
我们期待你的加入
