基於單分子定位的超分辨顯微成像技術PALM打破了光學衍射極限，於2014年獲得了諾貝爾化學獎。相對於目前廣泛使用的其它超分辨成像技術而言，該技術具有最高的空間解析度(～20 nm)，因此在生物學中帶來了廣泛的應用。但是由於該技術需要成千上萬張原始圖片來重構一張超分辨圖像，時間解析度低，在活細胞中應用該技術面臨挑戰。
另外，受現有光控螢光蛋白的限制，觀察發育過程中超早期結構成像也是目前超高解析度成像面臨的另一挑戰。用螢光蛋白標記發育生物具有非入侵、低毒害、低背景等特點，但由於螢光蛋白的摺疊和成熟以及累積需要時間，其螢光信號的出現往往滯後於發育中某些早期事件的發生。更早發光的螢光蛋白往往能捕捉髮育中更早出現的結構或事件，也使得依據螢光信號進行的定量分析和數據解釋變得更加精確和可靠。但目前，在超分辨成像中應用較廣的光轉化螢光蛋白均不具有發光早的特性。
針對超分辨成像中的這兩個問題，中國科學院生物物理研究所徐濤研究組和徐平勇課題組合作，開發了一個新型光轉化螢光蛋白探針pcStar和一種新型活細胞超分辨成像方法Quick-SIMBA。與合作團隊前期發表的被廣泛使用的mEos3.2 (Nature Methods，2012) 相比較，pcStar螢光蛋白探針具有發光早、光轉化效率高等特點，有利於提高單分子超分辨成像技術的時間解析度和標記密度，同時可以應用於對短壽命生物分子/結構的超分辨成像。應用新一代單分子定位超分辨成像探針pcStar，課題組成員在細菌、真核細胞系、胎鼠神經幹細胞以及果蠅胚胎中均實現了超早期標記。Quick-SIMBA是在徐平勇課題組前期發展的單分子定位超分辨技術SIMBA (Cell Research，2017) 的基礎上，結合pcStar探針、sCMOS相機和改進算法提出的新一代活細胞超分辨成像方法。該技術在目前活細胞單分子定位成像技術中具有最高的時空解析度(0.1-0.25 s, 50 nm)，能夠很好解析活細胞中的密集管狀內質網（如圖），這一結構曾因傳統成像的時空解析度不足，而被長時期認為是連續的片狀結構。另外，結合pcStar和SIMBA成像技術，課題組成員對果蠅胚胎髮育中的超早期結構進行了標記和超分辨成像解析，為該結構的發育形成過程提供了新的證據和視角。
這一研究成果於10月2日在Nano letters上在線發表，併入選該雜誌2020年第四期封面論文，題為Fast super-resolution imaging technique and immediate early nanostructure capturing by a photo-convertible fluorescent protein。該研究工作由生物物理所、中科院計算技術研究所、中科院遺傳與發育生物學研究所等機構合作完成。生物物理所副研究員張名姝、博士研究生付志飛和副研究員李常青為論文的共同第一作者，中科院院士徐濤和研究員徐平勇為論文的共同通訊作者。徐濤領銜的儀器研發團隊近年來致力於顯微成像儀器設備和技術方法的研究和開發，先後研製出偏振單分子干涉成像、冷凍單分子定位成像以及超分辨光電融合成像系統，開發了多種新的超分辨顯微成像方法。徐平勇課題組主要致力於發展多種用於超分辨成像如PALM/STORM、SOFI、SIM等的探針，並基於探針的光化學特性發展新的成像方法如貝葉斯單分子超分辨成像方法SIMBA等，來提高超分辨成像的時空解析度。
該研究得到科技部重點研發計劃、國家自然科學基金和中科院先導專項等的大力支持。
圖：Quick-SIMBA 解析的內質網 (pcStar 標記) 超分辨結構
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