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解螺旋公众号·陪伴你科研的第1794天 领略科学之美。 随着生命科学领域可视化技术不断地发展，异彩纷呈的微观生物世界被呈现在我们的眼前。利用核苷酸序列、数据图、质谱分析等技术，生物医学研究人员现在有大量方法来可视化他们研究的系统。 从电子显微图像显示化疗药物的纳米结构如何变化，胚胎细胞利用蛋白纤维轨道迁移到特定位置，免疫细胞喷发仙人掌般突起去捕获和杀死疟原虫，生物学的微观世界已经进入了可视化时代。 为了表彰生物微观可视化方面的杰出工作，麻省理工学院（下称MIT）的科赫研究所(Koch Institute)过去9年里在美国马萨诸塞州剑桥市公开展览生物微观世界的图像。 今年，从创记录的160多份提交图像中选出了10个作品，涉及的主题从表观遗传修饰到实验工具拟南芥的花蕊解剖图等各不相同。它们让我们得以一窥神秘的生命微观世界。 1 麻省总医院(MassachusettsGeneral Hospital)和麻省理工学院(MIT)的研究人员通过在培养皿中培养人体呼吸道细胞，用于了解病人神秘的呼吸障碍。 由成体干细胞衍生而来的组织(如图所示)可以详细观察纤毛，即呼吸道的防御系统—呼吸道上皮细胞中的毛发状细丝结构。通过操纵模型中的基因，科学家们能够发现一种罕见的基因状态，这种状态导致了病人纤毛功能受到损伤。 图片来源：RAGHU CHIVUKULA, DAVID MANKUS, MARGARET BISHER, ABIGAILLYTTON-JEAN, DAVID SABATINI MASSACHUSETTS GENERAL HOSPITAL, WHITEHEADINSTITUTE, AND KOCH INSTITUTE AT MIT 2 复杂的生物学挑战，如农业生态学或癌症治疗方面的挑战，可能需要具有多个组成部分的解决方案。 Paul Blainey的实验室制造了一块如信用卡大小的软塑料芯片，用于快速筛选数千种微生物或化合物，以寻找那些促进健康或治疗疾病的最佳组合。七个液滴，每个含有一个成分，被合并在一个六角形孔内。研究人员通过检查图像来确定理想的组合。在这个实验中，绿色部分意味着具有潜在的研究价值，可进一步测试。 图片来源：JARED KEHE, TONY KULESA, PAUL BLAINEY/BROAD INSTITUTE ANDKOCH INSTITUTE AT MIT 3 正常的脑部功能依赖于兴奋性神经元和抑制性神经元活动的平衡。在这里看到的合成大脑回路中，人工技术激活神经元(蓝色和白色部分)模拟大脑发育过程中的兴奋信号刺激后做出反应的过程。 电极记录了细胞间的信号传输，揭示了神经网络活动的重要信息。 Li-Huei Tsai的实验室还研究了兴奋和抑制同步产生的节律是如何在老年痴呆病人中受损的。 图片来源：MATHEUS VICTOR, LI-HUEI TSAI/PICOWER INSTITUTE FORLEARNING AND MEMORY AT MIT 4 细胞疗法的可视化。Robert Langer和Daniel Anderson实验室的研究人员正在设计“智能”细胞(蓝色部分)，并将它们种植于可植入芯片(黑色部分)。 当细胞成熟时(绿色部分)，它们分泌的蛋白质(红色部分)可以帮助治疗周围组织器官的疾病。这种生物相容的设备不仅能让细胞在自然环境中生长，并在需要时准确地提供适量的药物，还能保护系统免受免疫细胞的攻击。 图片来源：SUMAN BOSE, AMANDA FACKLAM, AMANDA WHIPPLE, ROBERTLANGER, DANIEL ANDERSON/KOCH INSTITUTE AT MIT 5 RNA分子是协助DNA编码信息转录、翻译成蛋白，在细胞生命活动中扮演着重要角色。它为我们了解细胞的过去、现在和未来提供了重要的线索。 AlexShalek实验室的研究人员对来自14个不同器官的45782个单细胞的RNA进行了测序，创建了一个健康细胞生理学图谱，供包括艾滋病和癌症在内的各种疾病的研究进行参考。该团队使用一种新技术来绘制不同细胞亚群之间的关系。每种颜色代表不同的组织起源；它们共同呈现了细胞活动范围。 图片来源：CARLY ZIEGLER, SHAINA CARROLL, LESLIE KEAN, ALEXSHALEK/INSTITUTE FOR MEDICAL ENGINEERING & SCIENCE AND KOCH INSTITUTE ATMIT 6 癌细胞与胚胎细胞有许多相似之处，包括能够运动到精确的位置。当细胞移动时，纤维蛋白的轨迹促进了它们的迁移。 Hynes实验室使用海胆来研究这些过程以及蛋白质在三维空间结构。 研究人员仔细观察透明胚胎的内部，观察到黑色骨架周围新形成的玻璃状纤维基质。确定细胞如何利用这种基质来引导它们在胚胎中运动，可能为理解在发育和癌症转移过程中促进细胞迁移的机制提供有价值的线索。 图片来源：GENEVIEVE ABBRUZZESE/HYNES LAB/MIT 7 索拉非尼的分子动力学模拟图(左)和电镜图(右)并列在一起。索拉非尼和许多其他抗癌药物一样，可以自发地形成复杂的纳米结构，改变药物的作用方式。 Langer 实验室使用智能算法将模拟结果与现实进行比较，并分析或预测这些纳米结构在不同条件下的组装情况。研究数据使他们能够设计出更好的药物来改善病人的治疗结果。 图片来源：DANIEL REKER, JEE WON YANG, NATSUDA NAVAMAJITI, RUONANCAO, DONG SOO YUN, GIOVANNI TRAVERSO, ROBERT LANGER/KOCH INSTITUTE AT MIT 8 现代生物学的核心是模型生物，一种在实验室中易于维护和操作的生命系统，用于阐明生物学过程。Mary Gehring博士的实验室使用拟南芥来研究不同的基因在父母传给后代时是如何表达的。 电子显微照片显示这种植物的花朵，突出显示了雄性(黄色)和雌性(绿色)的生殖器官处于未经修饰或野生型的状态。（注：拟南芥在植物学中所扮演的角色正仿佛小白鼠在医学和果蝇在遗传学中的一样。在植物科学中，作为遗传学和植物发育研究中的模式生物之一） 图片来源：NICKI WATSON, MARY GEHRING/WHITEHEAD INSTITUTE 9 自然杀伤(NK)细胞是抵抗感染的第一线防御者。Sangeeta Bhatia博士和Galit Alter博士的实验室试图将激活和攻击的过程可视化。 图中所示的NK细胞已与寄生虫和治疗抗体一起沉积在玻璃片上。在准备战斗时，它的表面由光滑变成了凹凸不平，开始出现突起物。疟疾是这次的敌人，但类似的方法也正在进行实验。 图片来源：ALLISON DEMAS, DAVIDMANKUS, MARGARET BISHER, ABIGAIL LYTTON-JEAN, GALIT ALTER, SANGEETA BHATIA/KOCH INSTITUTE AT MIT AND RAGON INSTITUTE OF MGH, MIT, AND HARVARD 10
基因相同的细胞如何产生不同的组织类型。Rudolf Jaenisch博士的从事表观遗传学机制的研究，该机制决定了基因是否以及何时在细胞中表达，从而影响基因的表达。 在这张细胞发育的3D图像中，不同的颜色代表了一种叫做DNA甲基化的表观遗传过程的不同激活状态，这种表观遗传过程抑制了基因的活性。以高分辨率实时分析复杂组织和细胞类型的表观遗传变化，有助于研究人员了解细胞是如何发育的，以及在癌症和其他疾病中出现了什么问题。 图片来源：YUELIN SONG, RUDOLF JAENISCH WHITEHEADINSTITUTE AND KOCH INSTITUTE AT MIT 参考资料： 1. https://en./wiki/Koch_Institute_for_Integrative_Cancer_Research 2. https://ki./news/recent 3. https://www./2019/03/21/mit-2019-image-award-winners/ 4. https://mp.weixin.qq.com/s/BMXeHCorw-OAzw01GNOTOw 相关文章
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