钱永健先生遗作：“彩色”电镜洞悉微观多元世界

电子显微镜用加速电子流轰击样本表面，是表征微观结构的主要仪器之一。它的观测对象大如细胞，微如纳米颗粒，是生物学家和材料学家不可或缺的“千里眼”。不过测过电镜的同学都知道原始的电镜图都是黑白灰的，不同结构仅仅靠灰度区分。这就导致不同物体的边界很难区分，即便后期做成彩图也无济于事。有没有能更精细地区分边界的电镜方法呢？市面上肯定还没有，不过加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）医学院和霍华德·休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute）的科学家可能拥有此等神器。他们最近发表在Cell Chemical Biology上的文章展示了一种可以同时用电镜观察多种“颜色”的方法（Multicolor Electron Microscopy for Simultaneous Visualization of Multiple Molecular Species. Cell Chem. Biol., 2016, DOI: 10.1016/j.chembiol.2016.10.006）。

在传统电镜下（左图），辨别小鼠大脑中两个海马星形胶质细胞的形态和功能非常困难。右边的彩色显微照片则能用不同的镧系金属标记两个细胞，使区分它们变得容易许多，还能看出哪里是细胞连接处（红绿斑杂的地方）。图片来源：Stephen Adams, NCMIR, UC San Diego

在进一步展开内容之前，关于文章的作者要多说几句，这是因为小氘在所列作者的最后发现了最近离世的诺贝尔奖得主、大名鼎鼎的钱永健（Roger Tsien）教授。钱永健先生是著名华裔化学家，出身自著名的“钱氏家族”，是中国导弹之父钱学森先生的堂侄。钱永健先生凭借在绿色荧光蛋白领域的卓越贡献，于2008年分享了诺贝尔化学奖。今年8月24日，钱永健先生意外猝然去世，享年仅仅64岁，令人扼腕叹息。这篇文章的通讯作者Stephen Adams博士，正是钱永健先生课题组的一位科学家。所以，就让我们带着对钱先生的缅怀一起来欣赏这篇文章吧。

钱永健教授在实验室（2004年）。图片来源：P. Steinbach/Neuron

最近几年显微成像界比较风生水起的是彩色超分辨荧光显微镜（2014年诺贝尔化学奖），电镜方面的进展则相形见绌。能够数得着的也就是电镜自动化操作和钱永健组2011年发展的新型可视化基因探针miniSOG。

在这项工作中，为了获得彩色电镜图，研究者们需要按照一定的顺序给细胞的不同结构“上色”，如蛋白质、细胞膜或整个细胞。所用的不同染料是稀土金属离子的配合物。研究者们首先给线粒体和细胞核分别染色，在光照下，红色染料会特异性地光氧化，使Ce-DAB2沉积；Pr-DAB2也如此沉积到细胞核膜上。经过常规的锇处理后，分别用电镜拍摄锇、铈、镨，获得图像，再将图片重叠就能得到细胞内部结构的彩图。

给细胞“上色”的流程图。图片来源：Cell Chem. Biol.

Stephen Adams介绍道：“透射电镜的电子流碰撞到不同的金属离子产生的电子能量损失不同，由此便能给出元素分布图，再按照一般的电镜上色方法，便能得到一张彩色的电镜图，每种颜色都代表细胞的一种亚显微结构。”

稀土金属染料Ce-DAB2的化学结构。图片来源：Cell Chem. Biol.

彩色电镜提供了单色电镜不能显示的细节信息。标准的电镜操作是用金颗粒标记不同的结构，电子能量损失值是相同的，这就造成了有时很难辨别结构的边界。另一方面，彩色电镜又比彩色荧光显微镜分辨率高得多，堪称神器。

细胞质中不同蛋白质的双色电镜图。图片来源：Cell Chem. Biol.

除了上述优点，这种方法从多个方面来看都很有竞争力。理论上，只要能发展更多稀土染料，就能添加更多颜色。这种方法操作非常简单，用的化合物也很容易制备。尤其难得的是它不需要专门的检测器，大部分标准透射电镜都可以操作。难怪这篇文章的作者之一，美国国家显微和成像研究中心主任、神经科学教授Mark H. Ellisman博士也忍不住自夸：“同时观察不同分子给电镜插上了翅膀。它展示的细节、动态和过程是单色观察不能比拟的。”

相信这项工作能激发更多课题组投入到电镜改良的浪潮中。

氘评：

非常实用的方法，确实能看到之前不能看清的细节，感觉会革新电镜细胞成像。另外，还想表达一下对钱永健先生的敬意，他在获得诺奖后仍然勤奋工作不辍，不断有新的突破。愿他所在的另一个世界也同样多姿多彩。

1. http://www.cell.com/cell-chemical-biology/abstract/S2451-9456(16)30357-9

2. http://phys.org/news/2016-11-electron-kaleidoscope-technique-visualizes-multiple.html

（本文由氘氘斋供稿）