MINFLUX纳米成像技术在活细胞单分子追踪中的优势

The advantage of MINFLUX nanoscopy in single molecular tracking within living cells

Huihui Zou, Shu Li, Xinlei Kou, Zelong Gu, and Jing Wang

https://www.worldscientific.com/doi/10.1142/S1793545825300083

在生物医学研究中，单分子追踪（SMT）技术为研究分子行为和细胞内动态过程提供了前所未有的视角。然而，活细胞内的复杂环境和背景信号给单分子追踪带来了巨大挑战。近期，来自上海理工大学的王晶副教授最新发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》上发表的一篇综述论文深入探讨了MINFLUX纳米成像技术在活细胞单分子追踪中的最新进展。今天，我们将为您解读这篇论文，揭示这项技术如何克服传统方法的局限，为生物医学研究带来新的突破。

正文

单分子追踪技术能够实时监测活细胞内单个分子的运动，提供关于分子动力学和相互作用的定量信息。然而，活细胞内的背景信号（如细胞自荧光）通常比其他噪声源高出三倍，严重影响了定位精度。此外，单分子发出的光子数量有限，进一步限制了时间分辨率和追踪精度。

Fig. 1. SMT is widely used today, with devices classified into two types based on the photon detectors employed: (a) camera-based instruments and (b) single-detector-based instruments.SMT设备的两种类型（基于相机和基于单探测器的设备）

近年来，MINFLUX纳米成像技术以其卓越的时空分辨率和低光子需求，为单分子追踪带来了革命性的变化。与传统的荧光显微镜技术相比，MINFLUX能够利用更少的光子实现更高的定位精度。例如，MINFLUX仅需约100个光子即可实现1纳米级别的定位精度，而其他基于定位的技术（如STORM和PALM）则需要更多的光子。这种技术的优势在于能够在亚毫秒级的时间分辨率下，实现单分子的高精度追踪。

Fig. 2. Commonly used SMT reporters. Fluorescent proteins, organic dyes, QDs, and nanodiamond NV centers are frequently employed as labeling modules.常用的SMT标记模块，包括荧光蛋白、有机染料、量子点等

MINFLUX的核心原理是通过检测有限数量的光子来定位荧光分子。它利用一个环形激发光束和共聚焦点探测器，通过扫描光束使荧光分子尽可能接近光束的中心零点。当荧光分子与零点完全对齐时，荧光完全消失。因此，MINFLUX通过“无荧光”来确定分子的位置，而不是依赖荧光的存在。这种方法显著减少了所需的荧光光子数量，降低了光漂白的可能性。

Fig. 3. The tracking principle of MINFLUX.MINFLUX纳米成像技术的原理，包括环形激发光束和共聚焦点探测器的配置

在实际应用中，MINFLUX已经成功用于追踪活细胞中的多种生物分子。例如，研究人员利用MINFLUX追踪了大肠杆菌中30S核糖体亚基的运动，每个轨迹点都来自超过100个独立的有效定位。此外，MINFLUX还被用于研究脂质分子的扩散，揭示了细胞膜中脂质分子的复杂运动模式。在另一项研究中，MINFLUX技术被用来观察马达蛋白kinesin-1在活细胞中的步进运动，清晰地捕捉到了16纳米的标准步长和4纳米的亚步长。

Fig. 4. The tracking of rapid movements of target molecules

MINFLUX技术在追踪快速运动的生物分子方面的应用实例

Fig. 5. The tracking of motor protein step lengths in cancer cells.

MINFLUX技术在追踪马达蛋白步进运动中的应用

结语

MINFLUX纳米成像技术以其卓越的时空分辨率和低光子需求，为活细胞单分子追踪开辟了新的道路。它不仅能够实现高精度的分子定位，还能在极短的时间内追踪分子的运动。未来，随着MINFLUX技术的进一步发展，我们期待它能够在多色成像和三维观察方面取得更多突破，从而更全面地揭示活细胞内的分子动态。这项技术有望为生物医学研究带来更多的创新和突破，为人类健康事业做出重要贡献。

通讯作者简介

王晶，上海理工大学的副教授，人工智能纳米光子学中心助理主任，主要在超分辨成像及纳米光子学领域开展研究工作。

更多详情见https://ipc.usst.edu.cn/2023/0224/c13942a286458/page.htm