生命科学学院 新闻动态
在每个细胞的深处，都潜藏着一个精密运转的“微观宇宙”。亿万蛋白质如星辰般在其中有序运行，构筑着生命的基石。长期以来，科学家们就如同这个宇宙中的“星际绘图师”，渴望勾勒出越来越清晰的细胞“星图”。单分子定位显微镜（SMLM）的出现，为我们带来了纳米级的“画笔”，能够分辨10–20纳米尺度的生物大分子，仿佛捕捉到星尘的微光。然而，这幅星图存在一个根本局限：它在二维平面（XY轴）上清晰明亮，却在第三维度（Z轴）上变得模糊不清，分辨率骤降2–3倍，宛如一幅被压扁的宇宙图谱。为突破这一限制，4Pi-SMLM技术应运而生。它引入类似“双筒望远镜”的立体视角，将Z轴分辨率一举提升5–6倍，却又由此陷入新的不平衡：Z轴过于清晰，反而衬得横向（XY平面）显得不够锐利。于是，构建一台能够在三维空间中均衡描绘细胞“宇宙地图”的高分辨率成像系统，便成为无数细胞探索者的共同梦想。
近年来，MINFLUX技术横空出世。它宛如一颗高精度的“导航卫星”，几乎可以完美锁定单颗“星星”——即单个分子的空间坐标。然而，其瓶颈在于成像通量：一次只能追踪一个分子。面对整个细胞中数以万计的“星辰大海”，无异于“管中窥豹”。为此，SIMFLUX等“阵列式观测系统”相继登场。它们以并行的“扫描光束”取代单点捕捉，实现了对细胞内“星空”的快速“巡天”式观测，大幅提升成像效率。尽管单点定位精度略有牺牲，但其高通量为实现全细胞超高分辨率成像带来了曙光。
2025年11月20日，西湖大学生命科学学院/遗传物质表达与重构全国重点实验室章永登团队在Nature Methods期刊上发表题为 4Pi-SIMFLUX: 4Pi single-molecule localization microscopy with structured illumination的研究论文，正式推出了他们潜心研发的“超级显微镜”——4Pi-SIMFLUX。这项技术巧妙融合了SIMFLUX的“广域扫描”能力与4Pi-SMLM的“立体视觉”优势，成功在完整细胞内实现了各向同性2–3纳米的高精度三维定位。这不仅是一场技术上的飞跃，更为人类探索细胞“内部宇宙”提供了一幅前所未有的导航图景。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41592-025-02908-8
文章截图：
4Pi-SIMFLUX的制胜关键在于“强强联合”的设计（图1a-d）。在激发端，它如同一个“网格坐标生成器”，利用SIMFLUX的条纹光场为细胞内的每个分子标记精确的“经纬度”；在探测端，它沿用4Pi-SMLM系统标志性的“双镜立体视觉”，通过荧光干涉，精准测定分子的“海拔高度”。这种“经纬度+海拔”的双重锁定，使4Pi-SIMFLUX系统横向定位精度提升约2倍，轴向精度提升5–6倍，最终实现2–3纳米的三维分子级定位。
图1 4Pi-SIMFLUX系统原理与验证
为了检验这套全新“地图绘制系统”的实战性能，研究团队首先将镜头对准了细胞内的“生命骨架”——微管。在以往的地图上，它们多以模糊的实心线条出现；而4Pi-SIMFLUX则清晰揭示了其真实面貌：由蛋白质亚基组成的中空管状结构（图2a-c）。精确的测量数据进一步印证了这张“新地图”的价值：其横向定位精度高达1.8纳米，是过去的2.2倍（图2d）；综合分辨率达到6.6纳米，优于此前的13.4纳米（图2e）。更重要的是，即便身处拥挤而复杂的细胞内部环境，它依然能保持约2纳米的三维定位精度，将微管蛋白的环状结构描绘得秋毫毕现（图2f-h）。
图2 4Pi-SIMFLUX解析微管结构
接下来是终极挑战——绘制细胞核的“星际之门”——核孔复合物（NPC）。这座由约30种蛋白质构成的宏伟大门中，Nup96蛋白如卫兵般紧密排列，间距仅约10纳米，长期以来构成多数超分辨技术的“分辨率天堑”。此前，仅有RESI等极少数技术能勉强勾勒其轮廓。而4Pi-SIMFLUX凭借其卓越性能，获得了与RESI相媲美的清晰图像，将蛋白质的空间排布一览无余。这标志着4Pi-SIMFLUX已经拥有了在细胞内绘制10纳米以下复杂“建筑群”的强大能力。
图3 4Pi-SIMFLUX解析核孔复合物与网格蛋白核孔：复合物（a-f）与网格蛋白（g-k）
为了让这台显微镜的功能更上一层楼，研究团队还为其装上了“彩色滤镜”——集成其此前开发的回收荧光分色（Salvaged Fluorescence）技术。现在，只需一束激光，4Pi-SIMFLUX便能同时“看清”两种不同颜色的分子，且色彩分明、互不干扰。在这双“火眼金睛”下，细胞中内质网与微管交织共舞，均展现出清晰的中空结构（图4），为研究不同细胞器之间的亲密互动提供了绝佳平台。
图4 4Pi-SIMFLUX同时双色成像
一台真正的“超级显微镜”，不仅要看得清，还要看得深、看得全。初期4Pi-SIMFLUX的成像深度限于细胞底部数百纳米区域。为实现从“表层”到“深层”的跨越，团队切换至高穿透力的HILO成像模式，将单次成像深度拓展至1.2微米。再通过类CT扫描的逐层采集与三维重建，最终绘制出线粒体网络、小鼠精母细胞联会复合体等复杂结构的“全细胞高清图谱”（图5），一幅细胞内部的壮丽全景徐徐展开。
图5 4Pi-SIMFLUX全细胞成像
回顾过去，章永登团队及其合作者开发的4Pi-SIM技术，已在活细胞中实现了约100纳米的动态三维成像，如同拍摄生命的“高清电影”（相关报道可见：https://mp.weixin.qq.com/s/4ZSGOJS_TgT0Tv2FDrMW0A）。而今，4Pi-SIMFLUX则在固定细胞中将定位精度推向了2-3纳米的极致，如同绘制生命的“分子结构蓝图”。从“动态电影”到“静态蓝图”，这一系列互为补充的成像系统，共同构成了面向生命科学前沿的三维超高分辨率系统性解决方案。至此，科学家们拥有了在分子尺度上审视生命机器的“眼睛”。一个全新的、无比精细的细胞宇宙，正等待着我们去探索、去发现。
西湖大学生命科学学院/遗传物质表达与重构全国重点实验室章永登研究员为该论文通讯作者，其团队博士生王倩、西湖实验室助理研究员郑贝博士为共同第一作者。章永登团队博士生于紫荆、黎舒馨、乔渝及科研助理占雅静、代秋阳为本研究做出重要贡献。本工作获得西湖大学俞晓春研究员及其博士生陈琳琳、浙江大学UIUC联合学院林毓研究员及其博士生王旭龙的重要协助与合作，并得到中国科学院生物物理研究所谷陆生研究员、西湖大学谢琦研究员及耶鲁大学Joerg Bewersdorf教授的支持与帮助。该研究获得了国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金、遗传物质表达与重构全国重点实验室、浙江省“尖兵”“领雁”项目、西湖实验室、西湖大学未来产业研究中心以及西湖教育基金会等的经费资助。
西湖大学章永登团队（https://www.westlake.edu.cn/faculty/yongdeng-zhang.html）长期招收博士后、科研助理及博士研究生。欢迎具有生物医学工程、物理光学、计算机、生物技术、生物化学等相关专业背景的申请者加入。要求具备良好的学习能力、独立工作能力和团队沟通能力。有意者请将个人简历发送至（zhanglab@westlake.edu.cn）。
