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超高速光學顯微技術,連使出電光一閃的病毒粒子都拍得到!

超高速光學顯微鏡,有影片有真相

動體視力對於運動員很重要,而研究移動快速的細胞、病毒、細菌時,為了讓顯微鏡底下的世界看得更快更清楚,中研院原子與分子科學研究所的謝佳龍助研究員,與團隊一起研發每秒可拍五十萬張影像的光學顯微技術,有助科學家在對生物系統造成最小干擾的情況下,直接觀察奈米尺度的活體現象。

謝佳龍團隊集結光電、生物、材料專家,研發過程不斷思考「超高速光學顯微影像技術」應用於跨領域的可能性。圖/張語辰

超高速光學顯微鏡,追求速度與激清

2014 年諾貝爾化學獎,頒發給「超解析螢光顯微鏡」的發明團隊,當科學家得以在奈米尺度看見生命中最小「元件」運作時,例如細胞、病毒、細菌,就能發現傳統顯微技術無法察覺到的生物現象。看見各領域都想辦法為生物科學、醫學盡一份力,改善人類的健康,電機和光電工程背景的謝佳龍受到啟發。

我一直在尋找有什麼光學技術既簡單又可靠,而且影響力還能超越光學領域。

謝佳龍運用光學專業,改良廣泛使用的傳統明場(brightfield)顯微鏡,和團隊一起研發 COBRI 顯微鏡,可觀察奈米尺度單粒子在三度空間的高速運動。

COBRI 顯微鏡的核心概念是採用雷射作為光源,取代傳統的白熾燈,再透過干涉的方法,偵測線性散射(linear scattering)光訊號。當一個粒子的折射率和周圍環境不同時,在光的照射下便會將部分的光散射,運用這個特性就可以量測被觀察的粒子位於何處、又移到動哪裡。

當雷射光通過層層關卡穿透樣品後,會產生 COBRI 訊號和激發螢光訊號,並各自投影到高速 CMOS 相機和 EMCCD 相機。資料來源/Coherent Brightfield Microscopy Provides the Spatiotemporal Resolution To Study Early Stage Viral Infection in Live Cells ;圖說改編/林婷嫻、張語辰

超高速光學顯微鏡全貌:這是謝佳龍團隊大幅優化的第二代版本,並同時紀錄傳統的螢光標籤影像以利比較。圖/張語辰

超高速光學顯微鏡局部:雷射光會先穿過 SM 、AOD 、層層透鏡後,再前往樣本放置台。圖/張語辰

追蹤拍攝單粒子時,「快狠準」是最重要的。謝佳龍團隊不斷改進顯微鏡的時間和空間解析度,一開始只想做到每秒拍幾千張影像,但慢慢地團隊越來越貪心,不斷試著超越極限。

目前實作中以一個 20 奈米直徑的金粒子為例,每秒可超高速拍攝五十萬張影像,並將金粒子的中心位置做到準確度 2 奈米的定位。

「要是我們可以做到……就好了」每次我向團隊說出更難的提議時,大家會崩潰吶喊「怎麼可能!」,但現在回頭看,過去不可能的事都是有可能的。

什麼東西跑得快?就決定觀察你了,病毒!

超高速光學顯微鏡,開啟許多過去無法進行的單分子生物研究。在中研院分子生物研究所的張雯博士的協助與建議下,謝佳龍團隊著手觀測牛痘病毒顆粒著陸在細胞表面上的高速運動。

生物學家們可以透過實驗了解病毒降落在細胞後會「發生什麼」,但無法直接看到「怎麼發生」,不知道病毒在過程中做了哪些奇怪的行為。

一開始,謝佳龍團隊在實驗室等了一整個下午,病毒都沒有掉到要觀測的細胞樣本上,比向月老求姻緣更難預測病毒降落細胞表面的時機。後來團隊成員黃逸帆想到一個方式突破困境,各位觀眾,請見下圖。

黃逸帆將牛痘病毒粒子裝在極細的玻璃管中,並將玻璃管移至細胞樣本上方,就能在局部釋放出病毒粒子,提高病毒接觸到細胞表面的機率。圖/張語辰

謝佳龍團隊透過超高速光學顯微鏡看見:當牛痘病毒粒子附著到細胞膜之後,一秒內便被侷限在幾百奈米的範圍中,並在微秒時間尺度下,做非常高速的橫向擴散運動(擴散係數〜1μm2/s)。影像紀錄的 3D 空間精準度 <3 nm,時間解析度高達每秒 100,000 幀。

超高速光學顯微鏡下,牛痘病毒於細胞表面著陸移動軌跡(擴散係數〜1μm2/s),圖中所有數據皆以 5 kHz 記錄。資料來源/Coherent Brightfield Microscopy Provides the Spatiotemporal Resolution To Study Early Stage Viral Infection in Live Cells ;圖說改編/林婷嫻、張語辰

我們看見病毒掉到細胞膜之後,在細胞膜上非常快速的擴散運動(diffusion),短暫地跟一些區域互動,最後找到一個區域停留,這是在我們觀察之前沒有人知道的。

觀測奈米尺度的活體現象,意義是?

以病毒為例,當病毒要入侵宿主細胞時,它如何遊走、它會不會進入細胞,跟病毒如何辨識細胞表面受體很有關連。雖然傳統分子生物實驗方法可以間接推測其關連性,但超高速光學顯微鏡能為整個過程提供第一手直接證據,有畫面有真相。

另外,超高速光學顯微鏡是在對生物系統造成最小干擾的情況下,直接觀察奈米尺度的活體現象,也能協助科學家檢驗傳統螢光標記的觀測方式,有沒有影響活體樣本原本的行為。

每個人都會有夢想,而對於打造出超高速光學顯微鏡的男人而言,謝佳龍希望能應用清楚看見奈米粒子高速運動的特性,協助找出健康問題的解決方案,例如細菌感染、腸病毒、登革熱病毒、或神經細胞的特定狀況。

儘管距離實現夢想還有一段路要走,但是謝佳龍想了想,很有自信地說:

只要朝對的方向走,再慢也會到達目的地。


延伸閱讀

執行編輯|林婷嫻  美術編輯|張語辰

CC 4.0

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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關於作者

研之有物│中央研究院

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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook