從無膜細(xì)胞器到寄生蟲運(yùn)動：軟X射線成像技術(shù)解析細(xì)胞生物學(xué)

在生命科學(xué)研究領(lǐng)域，細(xì)胞結(jié)構(gòu)解析是揭示生命活動本質(zhì)的核心環(huán)節(jié)。過去數(shù)年，該領(lǐng)域迎來了翻天覆地的變化。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)讓科研人員能夠深入了解細(xì)胞狀態(tài)和細(xì)胞身份的本質(zhì)，成像技術(shù)的飛速發(fā)展則實(shí)現(xiàn)了從大型組織中的細(xì)胞組織到原生細(xì)胞環(huán)境中的分子細(xì)節(jié)的多尺度可視化。在此背景下，對細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖像數(shù)據(jù)的需求呈爆發(fā)式增長，傳統(tǒng)成像技術(shù)持續(xù)升級，軟 X 射線斷層掃描（SXT）這一新興技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，為細(xì)胞結(jié)構(gòu)研究帶來全新范式。

SXT 技術(shù)：全細(xì)胞三維成像的 “優(yōu)選方案”

SXT 技術(shù)的崛起，得益于高精度 X 射線光學(xué)系統(tǒng)的突破性發(fā)展。早在 20 世紀(jì)初，專為生物樣本研究設(shè)計的 SXT 工作站突破性建成，憑借特有優(yōu)勢迅速成為全細(xì)胞（包括大型哺乳動物細(xì)胞）三維成像的優(yōu)選方案。

圖1. 全世界目前已建成的SXT設(shè)備

 
SXT 對有機(jī)物質(zhì)的敏感性使其能夠滿足對任何細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器和特征的 3D 信息的需求，而無需化學(xué)固定或染色。截至目前，SXT 已廣泛應(yīng)用于細(xì)胞表型變化（如細(xì)胞器結(jié)構(gòu)改變）、納米顆粒 - 細(xì)胞相互作用研究，尤其在新冠疫情后，成為解析感染過程中細(xì)胞重塑機(jī)制的關(guān)鍵工具。

SXT 前沿應(yīng)用：解鎖細(xì)胞研究的 “新維度”

1. 無膜細(xì)胞器成像：破解 “動態(tài)調(diào)控” 與 “疾病關(guān)聯(lián)” 難題

無膜細(xì)胞器（例如核仁、副斑塊、核斑點(diǎn)、PML體、P體和應(yīng)激顆粒等）是細(xì)胞內(nèi)高度動態(tài)的功能單元，通過相分離調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄、剪接和RNA代謝，其相變失調(diào)與神經(jīng)退行性疾病、癌癥和感染生物學(xué)密切相關(guān)。然鵝這類細(xì)胞器體積小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在擁擠的全細(xì)胞結(jié)構(gòu)中成像難度極大。

SXT憑借對化學(xué)成分的高敏感性，為無膜細(xì)胞器研究提供了特有解決方案。最近，科研人員利用SXT在體內(nèi)研究了二肽重復(fù)多肽 PR 和 GR（肌萎縮側(cè)索硬化癥的主要原因）的縮合毒性。使用機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測蛋白質(zhì)縮合，幾種蛋白質(zhì)靶點(diǎn)與細(xì)胞內(nèi)縮合物相關(guān)并在體外進(jìn)行測試。其中一種候選藥物以可抑制多種病原體的濃度應(yīng)用于活細(xì)菌。對這些細(xì)菌進(jìn)行 SXT 顯示，處理過的細(xì)菌具有壓縮的核仁（通過線性吸收系數(shù)LAC測量）和細(xì)胞質(zhì)縮合（如圖2所示），從而證實(shí)了生物活性肽的相分離在體內(nèi)起著至關(guān)重要的作用。

圖2. 軟X射線細(xì)胞結(jié)構(gòu)顯微鏡對壓縮的核仁和細(xì)胞質(zhì)縮合成像

 
此外，SXT 能夠同時捕捉分子縮合狀態(tài)與細(xì)胞整體結(jié)構(gòu)，為研究縮合物、膜及細(xì)胞結(jié)構(gòu)（如線粒體膜、脂質(zhì)膜、神經(jīng)元突觸膜）的相互作用提供了 “一站式” 觀測手段，為開發(fā)以相分離為靶點(diǎn)的治療方案奠定了重要基礎(chǔ)。

2.     結(jié)合大數(shù)據(jù)分析：構(gòu)建“精準(zhǔn)化”細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型

基于SXT數(shù)據(jù)開發(fā)細(xì)胞結(jié)構(gòu)，不僅能還原細(xì)胞器的形態(tài)結(jié)構(gòu)，還可同步獲取其三維組成。Samuel Isaacson團(tuán)隊(duì)利用此類細(xì)胞模型來理解尋找特定DNA結(jié)合位點(diǎn)所需蛋白質(zhì)的動力學(xué)，以及蛋白質(zhì)通過細(xì)胞質(zhì)向細(xì)胞核擴(kuò)散所實(shí)現(xiàn)的信號傳導(dǎo)。在另一項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)通過整合方法開發(fā)了一個胰腺β細(xì)胞在葡萄糖刺激胰島素生成過程中重組的綜合數(shù)學(xué)模型，其中SXT數(shù)據(jù)用于模擬胰島素顆粒的運(yùn)輸、對接和胞吐。如前所述，通過將蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)與SXT的LAC信息整合（如圖3所示），可以在單分子水平上模擬不同成熟階段胰島素顆粒的組成。除了細(xì)胞表型的物理表征外，此類模型在模擬與化學(xué)和環(huán)境因素（包括細(xì)胞信號傳導(dǎo)和運(yùn)動）的相互作用方面也極具特色。

圖3. 不同成熟階段胰島素顆粒SXT成像擬合圖

 
3. 微生物運(yùn)動機(jī)制：搭建 “結(jié)構(gòu) - 功能” 關(guān)聯(lián)的運(yùn)算模型

為了理解瘧原蟲和弓形蟲等寄生蟲的運(yùn)動能力，SXT提供了剛性和刻板的行動形狀模型（圖4）。隨后，這些表面模型被用于求解肌動蛋白自組織的理論模型，該模型預(yù)測平行肌動蛋白絲斑塊在細(xì)胞內(nèi)上下循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)寄生蟲的雙向和單向滑動。將實(shí)驗(yàn)SXT數(shù)據(jù)（例如細(xì)胞的真實(shí)結(jié)構(gòu)）與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合以探索和理解現(xiàn)象，是獲得機(jī)制解釋或切實(shí)可行預(yù)測的關(guān)鍵，這些預(yù)測能夠忠實(shí)地重現(xiàn)體內(nèi)情況。

圖4. 寄生蟲剛性和刻板的行動模型

 
4.   新細(xì)胞類型與結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：拓展生命科學(xué)研究 “邊界”

除了對已知細(xì)胞及單細(xì)胞生物的深入研究，SXT 還在識別新的細(xì)胞類型和結(jié)構(gòu)方面具有特殊優(yōu)勢。特別是在水生生物學(xué)中，SXT 已用于描述藻類、浮游生物和共生生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)（表5）。在海洋藻類 Braarudosphaera bigelowii 與藍(lán)藻內(nèi)共生體 UCYN-A 的共生關(guān)系中，SXT 技術(shù)取得重大突破。研究發(fā)現(xiàn)，UCYN - A 的復(fù)制與分裂過程與宿主藻類細(xì)胞高度同步，而這種 “生命周期同步性” 正是內(nèi)共生體向細(xì)胞器演化的關(guān)鍵標(biāo)志。相關(guān)研究成果以封面文章形式發(fā)表于《科學(xué)》雜志，文中 SXT 數(shù)據(jù)清晰顯示，每個B. bigelowii細(xì)胞內(nèi)均存在一個 UCYN - A 細(xì)胞；通過對數(shù)百個B. bigelowii細(xì)胞的 SXT 分析，科研人員還揭示了其細(xì)胞周期變化的動態(tài)規(guī)律（如圖 5 所示），為內(nèi)共生演化理論提供了直接的結(jié)構(gòu)證據(jù)。

圖5. 藍(lán)藻內(nèi)共生體 UCYN-A的SXT成像圖

 
實(shí)驗(yàn)室級軟X射線細(xì)胞結(jié)構(gòu)顯微鏡SXT-100

隨著技術(shù)的成熟，SXT 正從同步輻射中心走向?qū)嶒?yàn)室。愛爾蘭 SiriusXT Ltd 公司率先實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室級 SXT 的商業(yè)化，推出軟X射線細(xì)胞結(jié)構(gòu)顯微鏡SXT-100，該設(shè)備在性能上與同步輻射源 SXT 系統(tǒng)持平，可對低溫保存的細(xì)胞進(jìn)行三維斷層掃描，空間分辨率達(dá) 40 nm，設(shè)備占地面積僅為 2 米 ×3 米，且完成一次完整斷層成像僅需 85 分鐘，極大降低了 SXT 技術(shù)的應(yīng)用門檻。

 
實(shí)驗(yàn)室級 SXT 的出現(xiàn)，為技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用拓展提供了更多可能：

• 可與熒光顯微鏡等技術(shù)集成，開發(fā)多模態(tài)關(guān)聯(lián)成像方案，實(shí)現(xiàn) “結(jié)構(gòu) - 功能” 的同步觀測；
• ​依托 “X 射線每日無限可用” 的優(yōu)勢，可靈活開展樣品制備策略優(yōu)化、圖像采集方法創(chuàng)新等研究；
• 能夠在高生物安全級別設(shè)施中應(yīng)用，為病毒感染、烈性細(xì)菌致病機(jī)制等高危領(lǐng)域研究提供有力工具。

 
為推動 SXT 技術(shù)在中國的落地與應(yīng)用，2024 年 11 月，Quantum Design 中國（量子科學(xué)儀器貿(mào)易（北京）有限公司）正式成為 SiriusXT Ltd 公司在中國地區(qū)的獨(dú)家經(jīng)銷商。作為美國 Quantum Design 公司的中國子公司，Quantum Design 中國自 2004 年成立以來，始終致力于引進(jìn)全球前沿科學(xué)儀器與技術(shù)，此次合作將全面負(fù)責(zé) SXT - 100 顯微鏡在中國市場的推廣、銷售、技術(shù)支持及售后服務(wù)，為國內(nèi)科研人員提供 “近距離” 接觸前沿成像技術(shù)的機(jī)會。
 
相關(guān)鏈接：

軟X射線細(xì)胞結(jié)構(gòu)顯微鏡——SXT-100 http://www.tstsny.cn/show1equip.asp?equipid=4245601