新显微技术揭开海洋中看不见的生命秘密

### 疫情催生的合作引发新发现
新冠疫情期间，欧洲分子生物学实验室（EMBL）组长高塔姆·戴伊接到了合作者奥马亚·杜丁的Zoom通话。当时杜丁在瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）领导一个研究小组，她刚刚成功改进了一种新型成像方法，能够观察鱼孢菌门（一种与动物和真菌亲缘关系密切的海洋原生生物）的内部结构。这项突破克服了一个长期存在的难题：该物种具有坚韧的细胞壁。

这种被称为扩展显微镜的技术最初由麻省理工学院开发，之后日内瓦大学的保罗·吉夏尔和维尔日妮·哈梅尔将其改进为超微结构扩展显微镜技术（U-ExM）。他们的改进使原生生物的细胞壁变得可渗透，让科学家首次能够清晰观察其内部结构。

受此成功激励，杜丁、戴伊、吉夏尔和哈梅尔开始了长期合作。三年后，他们的合作产出了关于数百种原生生物的前所未有的知识体系，并为构建“全球浮游生物图谱”奠定了基础。

由EMBL牵头的“穿越欧洲海岸线”（TREC）考察队为进一步探索这些海洋生物提供了理想机会。该团队的研究成果近期发表在《细胞》杂志上，详细揭示了200多种浮游生物（尤其是真核生物，即细胞内含有膜包裹细胞核的生物）的细胞结构。这项研究标志着PlanExM项目的启动，这是TREC的一个子项目，旨在利用扩展显微镜绘制浮游生物隐藏的结构多样性图谱。

### 前所未有的细节探索海洋微生物
在法国罗斯科夫——TREC考察队的首批采样点之一，海洋生物站保存着欧洲最全面的海洋微生物样本库之一。研究团队原本只期望获取几十个样本用于测试技术，于是向负责人伊恩·普罗伯特申请材料，结果却获得了200多种物种的样本。

“我们花了三天三夜固定这些样本。这是一个我们不能错过的宝库。”该研究的共同第一作者菲利克斯·米库斯说。他在戴伊的研究组完成了博士学业，目前是日内瓦大学杜丁实验室的博士后。

### 扩展显微镜的工作原理
今年是扩展显微镜技术诞生10周年，该技术通过物理方式放大生物样本。含有细胞、组织或单细胞生物的样本被嵌入一种透明凝胶中，这种凝胶会吸水膨胀。值得注意的是，细胞内部结构保持完整并按比例拉伸，使研究人员无需使用高倍镜头就能将样本放大 up to 16倍。

吉夏尔和哈梅尔表示：“当与常规光学显微镜方法结合使用时，扩展显微镜使科学家能够突破标准波长限制，而这种限制原本制约着光学显微镜对微小结构的分辨能力。”

### 绘制生命的细胞骨架图谱
利用来自罗斯科夫和西班牙毕尔巴鄂两个样本库的样本，该团队开展了迄今为止最全面的细胞骨架研究之一。细胞骨架是支撑和组织真核细胞的纤维网络，团队重点研究了微管（帮助细胞维持形状、分裂和移动的中空纤维）和中心蛋白（参与微管组织的蛋白质）。

欧洲分子生物学实验室戴伊和施瓦布研究组的EIPOD博士后研究员、该研究的共同第一作者希拉尔·沙阿解释道：“我们能够绘制出许多不同真核生物类群中微管和中心蛋白的组织特征。这项研究规模庞大，每个类群都有多种物种被表征，这为进行进化预测开辟了可能。例如，甲藻是全球海洋中多样性最高的类群之一，在我们的研究中得到了充分体现。我们成功绘制了这些物种中与细胞皮层或鞭毛相关的微管蛋白和中心蛋白结构的分布。”

### 通过显微镜揭示进化模式
日内瓦大学博士后研究员、共同第一作者阿曼多·卢比奥·拉莫斯说：“U-ExM正在改变我们探索原生生物超微结构的方式。通过将这项技术与高通量成像和比较分析相结合，我们开始能够解读细胞结构在进化过程中是如何多样化的。它架起了一座桥梁，连接分子数据与微观尺度上生命的物理组织。”

研究结果不仅阐明了真核细胞的组织方式，还为其内部结构的进化发展提供了线索。该研究凸显了扩展显微镜作为研究工具的强大能力，即使是直接从海洋中采集的复杂环境样本也能进行研究。

### 迈向全球微观生命图谱
戴伊表示：“我们在扩展显微镜领域的探索才刚刚开始。这或许是第一种高分辨率显微镜技术，有望达到大型生物多样性基因组学项目的规模和雄心，使我们在不久的将来能够将新的多组学数据与生命树中大规模的细胞生理学关联起来。”

随着牛津大学的托马斯·理查兹加入合作，戴伊和杜丁获得了摩尔基金会200万瑞士法郎的资助，以继续扩展他们的研究。

杜丁说：“下一步是从这个庞大的样本库中选择性地深入研究某些物种，以回答特定问题，例如了解有丝分裂和多细胞生物是如何进化的，以及构成重大进化转变基础的表型多样性。”