新DNA顯微鏡“從內到外”繪制生命3D圖

科技日報記者 張夢然

美國芝加哥大學的科學家開發出一種名為體積DNA顯微鏡的革命性成像技術。該技術可“從內到外”繪制生命3D圖，科學家通過標記和追蹤分子間的相互作用，構建出復雜的遺傳物質3D圖，進而提供前所未有的生物體內視圖。相關研究成果發表在新一期《自然·生物技術》雜志上。

一種新的3D基因成像法可能為癌癥、免疫和發育帶來新的見解。（藝術概念圖）來源：美國每日科技網

傳統的基因測序方法雖能揭示樣本中豐富的遺傳信息，但無法顯示特定基因序列在樣本中的具體位置，或其與周圍基因和分子的關系。為彌補這一缺陷，新研發的技術可以在捕捉遺傳物質身份的同時記錄其位置信息。該方法通過給單個DNA或RNA分子添加短的DNA序列標簽，即唯一分子標識符UMI，然后跟蹤這些標簽之間的相互作用來實現。這種相互作用有助于創建反映基因空間排列的分子網絡，從而生成一個三維圖像。

在使用體積DNA顯微鏡時，UMI會附著于細胞內的DNA和RNA分子上，并開始復制。這個過程會產生唯一事件標識符UEI。每個UEI都是獨一無二的，它們幫助確定每個基因分子的具體位置。相鄰的UMI因相互作用頻繁，產生的UEI也較多，這為計算模型提供了重建原始位置所需的信息，進而創建基因表達的空間圖。

斑馬魚胚胎的體積DNA顯微鏡圖像。來源：芝加哥大學韋恩斯坦實驗室

與依賴光線或鏡頭的傳統顯微鏡不同，體積DNA顯微鏡依靠計算分子間的相互作用來創建圖像。這種方法被比喻為利用手機數據確定城市中人們的位置，就像知道手機號碼可以幫助定位個人一樣，分析分子間的互動也可以推斷它們在體內的位置。

這項技術不依賴先前知識，因此適用于探索未知背景下的基因表達情況。如在腫瘤研究中，其可用于繪制腫瘤微環境及免疫系統交互作用的地圖，這對于發展更精確的癌癥免疫治療或定制個性化疫苗具有重要意義。