在顯微鏡發(fā)明之前，人類對(duì)于世界的觀察只局限于肉眼。當(dāng)列文虎克使用他自制的顯微鏡觀察到細(xì)胞和微生物后，一個(gè)全新的微生物世界在人類眼前打開。此后，恩斯特·魯斯卡于1931年發(fā)明電子顯微鏡，使得人們能夠直接在原子水平觀察，顯微鏡將人類視野帶到了一個(gè)之前從未觸及的微觀世界，人類開始對(duì)自己和自己所處的這個(gè)世界有了更深入的認(rèn)知。
顯微鏡可分為兩大類：光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡，人們?cè)缭趲装倌昵笆褂霉鈱W(xué)顯微鏡觀察到了細(xì)胞，近年來(lái)用冷凍電鏡觀察到了蛋白的三維立體結(jié)構(gòu)，然而，這兩類顯微鏡都無(wú)法再基因組水平觀察細(xì)胞。
2019年6月20日，作為CRISPR基因編輯的奠基人之一的張鋒教授，在Cell雜志發(fā)表了一篇重磅論文，張鋒及其合作者開發(fā)了一種全新的顯微鏡：DNA顯微鏡。
DNA顯微鏡，不依賴光或任何類型的光學(xué)器件，通過獨(dú)特的成像模式，可將物理圖像編碼為DNA，并以精確的序列信息推斷細(xì)胞分辨率的原始轉(zhuǎn)錄物的物理圖像，從而實(shí)現(xiàn)在基因組水平上對(duì)細(xì)胞的觀察。
通過DNA顯微鏡，科學(xué)家們可以構(gòu)建細(xì)胞圖像并同時(shí)積累大量的基因組信息。為人們提供了另一層之前無(wú)法看到的生物學(xué)世界。
論文題目：DNA Microscopy: Optics-free Spatio-genetic Imaging by a Stand-Alone Chemical Reaction.
使用DNA顯微鏡識(shí)別樣品中的不同細(xì)胞（圖中不同的彩色的點(diǎn)）
使用DNA顯微鏡（下圖左），可以準(zhǔn)確地重建用熒光顯微鏡捕獲的細(xì)胞圖像（下圖右），比例尺=100微米。
顯微原理
使用DNA顯微鏡獲取一個(gè)完整的細(xì)胞圖片，可以說非常簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)樣本和和一個(gè)移液器。
首先，將實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)的細(xì)胞固定在反應(yīng)室中。 然后，添加各種各樣的DNA條形碼。 它們連接上RNA分子，給每個(gè)分子一個(gè)獨(dú)特的標(biāo)簽。接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)使用化學(xué)反應(yīng)來(lái)制作每個(gè)標(biāo)記分子的越來(lái)越多的副本，一個(gè)從每個(gè)分子的原始位置擴(kuò)展出來(lái)的不斷增長(zhǎng)的分子堆。
最終，標(biāo)記的分子與其他標(biāo)記的分子碰撞，迫使它們成對(duì)連接在一起。 彼此靠近的分子更容易碰撞，產(chǎn)生更多的DNA對(duì)。分開的分子將產(chǎn)生更少的DNA對(duì)。
大約花費(fèi)30個(gè)小時(shí)的時(shí)間后，DNA測(cè)序儀拼出樣品中每個(gè)分子的堿基。然后通過該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的算法解碼數(shù)據(jù)，將每個(gè)原始樣本中約5000萬(wàn)個(gè)基因序列的DNA堿基轉(zhuǎn)換為圖像。
這樣，就可以完全重建在光學(xué)顯微鏡下看見的東西。
應(yīng)用前景
張鋒認(rèn)為，每個(gè)細(xì)胞都是由獨(dú)特的DNA序列或基因型組成，使用DNA顯微鏡可以直接從被研究得分子中捕獲信息，DNA顯微鏡開辟了一種將基因型和表型聯(lián)系起來(lái)得全新方法。
Aviv Regev認(rèn)為，DNA顯微鏡的有著無(wú)限的可能性，希望它能夠激發(fā)人們的想象力，去開發(fā)更大更多我們從未想過的創(chuàng)意。
論文的第一作者Weinstein認(rèn)為，有一天DNA顯微鏡可以讓科學(xué)家加速免疫療法治療的發(fā)展，幫助患者免疫系統(tǒng)對(duì)抗癌癥，該方法可能潛在地識(shí)別出最適合靶向特定癌細(xì)胞的免疫細(xì)胞。這種新型顯微鏡類別，不僅僅是一種新技術(shù)，更是一種我們以前從未考慮過的顯微方式。
該論文早在2018年11月9日，就已在預(yù)印本網(wǎng)站 BioRxiv 上線，這次是正式發(fā)表于Cell雜志。
上線時(shí)間：2018年11月19日
該研究的通訊作者：張鋒、Aviv Regev
出生于1982年的張鋒，是麻省理工學(xué)院終身教授，CRISPR基因編輯開創(chuàng)者之一，上市公司Editas Medicine的創(chuàng)始人，當(dāng)今最為人所關(guān)注的華人生物學(xué)家。
張鋒的科研生涯可謂傳奇，2004年-2011年，張鋒在斯坦福大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家 Karl Deisseroth 教授實(shí)驗(yàn)讀博和學(xué)習(xí)，在此期間，Karl Deisseroth教授同張鋒等人開創(chuàng)了光遺傳學(xué)這一全新的研究領(lǐng)域。
2011年，張鋒加入麻省理工學(xué)院，開始自己的獨(dú)立科研生涯，2013年，張鋒首次將CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)成功應(yīng)用與哺乳動(dòng)物和人類細(xì)胞，從此，張鋒隨著CRISPR一起大放異彩。
年僅30歲的他就參與開創(chuàng)了兩項(xiàng)熱門技術(shù)領(lǐng)域（光遺傳學(xué)和CRISPR）。
這一次，張鋒又開創(chuàng)了一類新型顯微鏡。
要知道，顯微鏡技術(shù)一共獲得過6次諾貝爾獎(jiǎng)，三次獲物理獎(jiǎng)，三次獲化學(xué)獎(jiǎng)。分別是：
1953年的物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了相位差顯微鏡，1982年的化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了晶體電子顯微技術(shù)，1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡，2014年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了超分辨率熒光顯微鏡，2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了冷凍電子顯微鏡技術(shù)。
現(xiàn)在我們可能要討論他會(huì)因基因編輯還是DNA顯微鏡獲得諾貝爾獎(jiǎng)了。
