细胞生物学家传统上使用荧光染料在显微镜下标记和可视化细胞及其内的分子。使用不同的超分辨率显微镜方法，它们甚至可以点亮单个分子并看到它们之间的复杂相互作用。然而，这样做所需的显微镜硬件是高度专业化的，昂贵的，并且要求操作者具有独特的技能;因此，这种显微镜在世界各地的实验室中相对较少。

Ralf Jungmann，博士，Wyss研究所的校友，现任德国路德维希马克西米利安大学(LMU)和马克斯普朗克研究所(MPI)的生物化学教授和Wyss Institute核心学院成员Peng Yin，Ph.D 。我们一直在开发DNA-PAINT，这是一种强大的分子成像技术，涉及瞬时DNA-DNA相互作用，能够以超高分辨率精确定位荧光染料。然而，虽然研究人员通过在固定的近距离内观察单个生物分子(如固定细胞中的蛋白质)来证明DNA-PAINT的潜力，但该技术还不能研究细胞内部的分子。

现在，Jungmann和Yin的团队联合报告了克服这一局限的解决方案。在他们的新研究中，他们将DNA-PAINT技术应用于共聚焦显微镜，这些显微镜被细胞生物学实验室的研究人员广泛用于以较低分辨率成像整个细胞和较厚的组织。MPI / Wyss研究小组证明，该方法可以在超分辨率下在整个细胞的整个深度内可视化各种不同的分子，包括不同蛋白质，RNA和DNA的组合。发表于Nature Communications，该方法可以为细胞研究的许多领域的详细单分子定位研究打开大门。

DNA-PAINT方法将DNA“锚链”附着到目标分子上。然后，具有互补序列的染料标记的DNA“成像链”瞬时附着于锚并产生荧光信号，其在单个分子位点处作为限定的闪烁事件发生。因为这种“闪烁频率”是可精确调节的，所以可以区分彼此仅相差纳米的分子 - 在超分辨率的较高分辨率端。

“我们的新方法SDC-PAINT将DNA-PAINT的多功能超分辨率功能与共聚焦显微镜的光学切片功能相结合。因此，我们创造了探索细胞整个深度的方法，并以纳米尺度可视化其中的分子，“Jungmann说。该团队确定了整个细胞内不同蛋白质组合的存在，然后超越了这一点。“通过使我们的标记方法多样化，我们还可以在含有染色体的细胞核中显示不同类型的单个生物分子，包括DNA中的序列，与DNA结合的蛋白质或包围细胞核的膜，以及核RNA，”Yin补充说，他还是Wyss Institute分子机器人计划的联合负责人，以及哈佛医学院的系统生物学教授。

SDC-PAINT通过结合外膜(红色)蛋白质和内腔(绿色)蛋白质的高分辨率荧光信号，可以准确地显示细胞产生能量的结构，称为线粒体。左侧的Gif显示了右侧图像中小矩形所示区域的细胞3D空间的连续切片。图片来源：Florian Schueder，MPI / LMU

原则上，共焦显微镜使用所谓的针孔来消除焦平面上方和下方的图像平面的不需要的离焦荧光。通过扫描样品，平面后平面，研究人员可以收集分子结合染料在整个深度发出的所需荧光信号。具体而言，MPI / Wyss研究团队开发了“旋转磁盘共聚焦”(SDC)显微镜技术，通过具有多个针孔的旋转盘检测来自整个平面的荧光信号。此外，“为了实现3D超分辨率，我们在检测路径中放置了一个额外的镜头，这使得我们可以在第三维中存档子衍射限制分辨率”，第一作者Florian Schueder说，

“这种添加可以很容易地由SDC显微镜的制造商定制;因此，我们基本上实现了超分辨率显微镜，而没有对显微镜进行复杂的硬件更改，这些显微镜通常可供生物医学研究所有场所的细胞生物学家使用。因此，这种方法有可能使整个细胞和组织的超分辨率成像民主化，“Jungmann说。

“凭借这一重要进展，超分辨率显微镜和DNA-PAINT可以让生物医学研究人员更容易获得，加快我们对单个分子功能及其在细胞内控制的过程的洞察力，”Wyss研究所创始主任Donald Ingber博士说。博士，同时也是HMS血管生物学的Judah Folkman教授和波士顿儿童医院的血管生物学项目，以及哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的生物工程教授。