研究人员在一台显微镜中结合了两种显微成像技术，为科学家提供了一种在细胞环境中追踪单分子的高分辨率方法。这项研究成果为提高我们对细胞内部发生的微小细节进行可视化的能力打开了大门。

如今，科学家们已经能够使用功能强大的显微镜窥视细胞内部。要了解特定生物分子是如何作用和反应的，这一点非常重要。然而，这些工具也有一些缺点。

以超分辨率荧光显微镜（SRM）为例。它非常适合追踪细胞中的单个分子（如蛋白质），但不能向科学家展示附近发生了什么。此外，虽然低温电子断层扫描（cryo-ET）可以获得高分辨率的细胞图像，但它无法精确定位单个分子在做什么。

因此，美国能源部斯坦福线性加速器中心（SLAC）国家加速器实验室的研究人员着手将这两种成像技术结合到一台显微镜中。

研究报告的第一作者彼得-达尔伯格（Peter Dahlberg）说："我们的目标是保持两种技术的优点。保留了荧光显微镜的分子特异性，所以你知道谁是谁，然后可以把它放在低温电子显微镜的高分辨率结构中。"

荧光显微镜技术是用一种较小的分子标记单个分子，这种分子在光线照射下会发光。然后就可以在普通的--尽管分辨率非常高--光学显微镜下追踪该分子。低温电子显微镜使用电子显微镜来研究细胞等速冻样本。

将这两种技术相结合后，研究人员立即遇到了需要克服的问题。首先，必须将含有荧光标记分子的细胞投放到直径仅为3毫米的低温电子显微镜网格上，然后快速冷冻，使网格上的水变成玻璃（玻璃化）。一旦冻结，细胞就必须保持冻结状态。第二个问题是冷冻细胞的大小--它们有数千纳米厚--但冷冻 CT 使用的电子无法穿透 200 纳米以下的深度。

因此，研究人员开发了一种名为"聚焦离子束铣削系统"的设备，该设备附带扫描电子显微镜（FIB-SEM）。聚焦离子束会切割掉细胞材料，留下冷冻 ET 可以穿透的极薄的冷冻细胞片。然后，扫描电子显微镜向样品发射电子，生成高分辨率图像。

原型 FIB-SEM 有一个问题：它没有连接光学显微镜，这意味着必须移动冷冻-ET 网格才能进行荧光显微镜检查。幸运的是，解决方法很简单。

Dahlberg说："从根本上说，我们只是拆开了这台价值150万美元的精密仪器，安装了这个集成的光学显微镜，现在我们有了一个更好的系统。"

研究人员在 2020 年测试了 FIB-SEM，追踪细菌细胞内的蛋白质，发现它可以工作，但意识到冷冻 ET 网格的材料会吸收光线，破坏冷冻样本。因此，他们进行了一些调整，设计了更好的网格，并为光学显微镜制作了更好的平台。

现在，研究人员正在设计不同种类的荧光标签--生物传感器--以便在低温条件下工作。生物传感器是一种荧光分子，能根据当地环境改变其发射或激发特性，在一种环境中发出一种颜色，而在另一种环境中则发出不同的颜色。

Dahlberg 说："它们可以被调整为对 pH 值、适应数百种环境变量。因此，除了具体位置和高分辨率结构信息外，你还可以知道我的细胞是健康的还是生病的？即将进行细胞分裂？ATP浓度高吗？它提供了所有这些额外的内容。"

研究人员将继续修补 FIB-SEM，直到它得到优化并充分发挥其潜力。