定量成像

记者21日从中科院海洋研究所获悉，该所研究员张鑫课题组和孙超岷课题组共同合作，基于共聚焦显微拉曼技术，通过三维定量成像实现了长期、近实时、非破坏性的微生物监测，对微生物生长和代谢情况进行可视化及定量分析，为未来分析微生物原位生物过程提供了新思路。研究成果近日发表于《微生物学谱》上。固体培养基培养的菌落的三维定量成像示意图 课题组供图记者了解到，张鑫课题组在之前的工作中，观测到我国南海冷泉环境中单质硫含量丰富。随后，孙超岷课题组发现了冷泉细菌Erythrobacter flavus 21-3可以高效氧化硫代硫酸钠生成单质硫，张鑫课题组通过拉曼光谱鉴定后发现单质硫结构为环状S8，研究成果发表在生物学领域权威期刊《国际微生物生态学会杂志》。后续两个课题组合作将E. flavus 21-3及其突变株布放到深海冷泉喷口附近进行原位培养，证实该菌株在深海原位环境中也能形成硫单质，相关成果发表在国际生物学期刊《微生物学》，为解释我国南海冷泉喷口广泛分布硫单质的成因提供了重要理论依据。E. flavus 21-3在高氧条件下的三维拉曼成像分析 课题组供图由此可见，微生物是深海硫形成和循环的重要贡献者，其介导的硫代谢的研究对于了解深海硫循环至关重要。然而，由于深海环境极端复杂，采样困难、微生物难于分离培养等因素，以及缺少对硫元素的形成的近实时无损的监测方法，深海微生物的原位探测面临巨大挑战。目前，主要通过经典的生物和化学方法研究硫元素的生成过程，例如X射线吸收近边结构、高效液相色谱、透射电子显微镜、离子色谱法或化学计量法等。但是，这些方法主要通过取样来获知特定时间点的微生物代谢情况，不能在不破坏样品的前提下连续监测其在时间尺度上的代谢过程；并且，其中一些方法样品制备复杂，会破坏细胞的原位真实性；也可能会出现取样不均匀及污染的情况，导致难以实现连续的原位观察。因此，亟需新的方法突破此瓶颈。低氧条件下E. flavus 21-3的三维拉曼成像分析 课题组供图共聚焦显微拉曼三维成像技术拥有低成本、快速、无标签和无破坏性的优势，具有将定性、定量和可视化完美结合的潜力，为我们解决相关问题提供了新的思路。因此，为证明此技术的潜力，研究团队构建了一套固态基底上微生物群落拉曼三维定量原位分析方法，将光学可视化与拉曼定量分析相结合，可在时间和空间两个维度上无损定量表征微生物群落代谢过程。该技术已成功应用到深海冷泉细菌E. flavus 21-3硫代谢过程的原位监测。据介绍，基于拉曼三维成像进行体积计算和比率分析，课题组对不同环境下的菌落生长和代谢进行了量化，发现了生长和代谢方面不为人知的细节，为厘清深海冷泉生物群落中广泛分布的硫单质成因提供了重要技术支持。“据我们所知，这是首次尝试长期监测菌落在固体培养基中生长的原位无损技术。我们能够快速确定代谢产物，推断反应发生的途径，并快速筛选产硫细菌。由于这一成功的应用，不仅证明了该方法在未来对微生物原位过程的可视化及定量分析的潜力，也为研究深海中附着在岩石沉积物等固体表面上的微生物提供了新的思路。”张鑫对《中国科学报》表示。该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院A类战略性先导专项、中国科学院海洋大科学研究中心重点部署项目、泰山青年学者计划等项目联合资助。

2021年7月28日，广州生物岛实验室生物医疗器械部在中巨园区举行了《高通量全自动病理切片电子成像仪》项目结题验收会。该项目是广州生物岛实验室生物医疗器械部成立后启动的第一个自立项目（2019.6-2021.6），中国科学院生物物理研究所作为项目合作单位，生物物理所孙飞研究员和曹峰高级工程师到广州生物岛实验室兼职，分别担任此项目负责人和项目总监。项目从医院病理科电镜病理检测存在的仪器维护成本高、操作复杂、通量低、人力成本高等痛点出发，成功研制了针对病理组织切片样品的高通量扫描透射电子显微镜SmartView（图1），发明了载网托盘和新型的装载方式（图2），一次可以装载500个病理切片载网，实现了8K*8K的高速扫描透射成像能力，仪器成像分辨率优于1.1nm，可以进行病理组织切片样品高速和高质量成像（图3，图4），将有效推动生物医学病理电镜检测快速发展。验收会议邀请了华南理工大学陈晓峰教授（专家组组长）、中科院生物物理所徐伟研究员、北京工业大学吉元研究员、中山大学赵文霞研究员、北京大学高宁教授、西安交通大学康永锋教授、金域医学电镜病理检测中心侯晓涛主任和高月敏高级会计师等8位专家对项目完成情况进行评审。上午，项目负责人孙飞研究员向评审技术专家组介绍了项目背景和项目技术指标验收方案并得到专家组认可。随后，项目研发总监曹峰高级工程师带领评审技术专家组根据验收方案对研制的高通量扫描透射电子显微镜的各项技术指标（分辨率、加速电压稳定性、电子束流及其稳定性、高通量样品台和成像质量等）进行了现场考察和测试（图5）。通过各位专家对几种不同类型电镜照片盲测评分的数据统计，SmartView拍摄照片质量与120kV透射电镜所拍摄照片在生物切片样本成像质量方面相当，满足病理组织切片样品电镜检测的要求。下午的专家评审验收会由生物医疗器械部张昆总监主持，科技发展部和生物医疗器械部相关业务人员以及项目组骨干成员参加了会议。孙飞研究员和曹峰高级工程师分别对项目的研发背景、研发内容、指标完成、研发成果和经费使用等情况进行了详细汇报（图6）。评审专家分别从项目设计的科学性、合理性、创新性、研究成果产出和经费决算等方面进行了评价，对项目所取得的成果给予了充分的肯定。专家们指出，电镜病理检测技术对于肿瘤、肾病、消化、血液和神经等疾病的诊断和病原体的检测分析具有重要的作用。当前医学病理切片电镜检测工作由于通量低、操作复杂，对人员专业要求高，阻碍了电镜病理检测技术在广大临床医院中的推广和应用。本项目所研制的高通量全自动病理切片电子成像仪Smart View能够解决这一痛点和难点问题，降低电镜病理检测工作的技术门槛，促进电镜病理检测技术在人类疾病诊断中的广泛应用，具有良好的社会经济意义。此外，专家们也对项目后续研发和转化工作给出了建设性意见。最后，评审专家组一致同意通过该项目的结题验收（图7），并建议广州生物岛实验室进一步加大对项目研究团队的支持和投入，保障项目团队在生物医学电子显微仪器研发领域取得更多更好的成绩。该项目的顺利实施，得到了徐涛院士研究组、生物物理所生物成像中心的大力支持与帮助。图1. 高通量全自动病理切片电子成像仪图2 电镜载网上的病理组织切片样品（SmartView背散射电子图像）图3 利用SmartView对病理组织切片样品进行成像（中倍STEM像）图4. 利用SmartView对病理组织切片样品进行成像（高倍STEM像）图5. 项目验收会现场图6. 项目负责人汇报图7. 验收专家与生物岛实验室相关人员合影图8. 生物医学电子显微成像技术研究组全体合影

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