Nat Comm | 偏振光结构光显微技术取得重要进展
偏振是光作为电磁波的基本物理属性之一。偏振特性在光场调控、显微成像、量子光学、立体显示等领域得到了广泛的应用。在生物学中，通过偏振成像测量荧光团的偶极子方向，可以揭示靶蛋白的取向。超分辨显微技术虽然能够突破光的衍射极限，实现百纳米尺度的高分辨率成像，但是由于无法获知生物分子的取向性，在应用中受到了极大限制。
为了研究蛋白在亚细胞结构中的定位和取向，研究团队近期联合开发了偏振光结构光显微技术（pSIM）。这一工作发表在Nature Communications： "Super-resolution imaging of fluorescent dipoles via polarized structured illumination microscopy"。
结构光成像(SIM) 由于其分辨率高、成像速度快等优点，能够高度兼容于活细胞成像，从而受到生物学家的青睐。在大多数SIM系统中，通过两个线偏振光之间的干涉效应（类似杨氏双缝干涉）产生高频结构光；结构光与样品的精细结构叠加，能够产生莫尔条纹。通过检测低频莫尔条纹，可以反推出样品的精细结构。
pSIM原理介绍。（a）两个不同频率的叠加将出现莫尔条纹。SIM通过频域分析莫尔条纹实现超分辨成像；(b)(c)SIM和pSIM空间-方位角的高维复合空间对比示意图。
借鉴这一原理，研究团队将偏振光对不同方向偶极子的调制看作是"角度结构光照明"，从而构建了空间-方位角的高维复合空间，并利用类似SIM的方式提取荧光偶极子的方位角，从而实现了偏振结构光成像。这一技术可以同时实现超微结构的高空间分辨率成像、生物分子偶极取向测量，并应用于活细胞的快速动态分析。
为了验证这一技术与SIM的广泛兼容特性，研究人员测试了多种商用SIM系统及自主搭建的SIM平台，以及2D-SIM、3D-SIM、TIRF-SIM成像能力，成功提取荧光分子的偶极子方位信息与超分辨结构信息。同时，研究人员进行了大量的生物学实验来证明其广泛的适用性，如λ-DNA、BAPE细胞和小鼠肾组织中的肌动蛋白丝、肌动蛋白和肌球蛋白之间的相互作用，以及中GFP染色的U2OS活细胞微管。特别是，研究小组针对神经元中的膜相关周期骨架（MPS）进行了研究。pSIM以高的空间分辨率和准确的偏振检测，揭示了肌动蛋白环在MPS中"并排"组装的新模型，推翻了以往发表在Science上的肌动蛋白环"端到端"的结构假设pSIM具有高的时空分辨率和独特的偶极子方向信息，在未来解决各种生物问题方面具有广阔的应用前景。
pSIM揭示了肌动蛋白环在MPS中"并排"组装的新模型，推翻了以往的肌动蛋白环"端到端"的结构假设。
一般来说，一项创新技术通常采取如下两种途径来造福科研界：1. 将相关技术开放获取，其他学者通过搭建类似系统来得到应用；2. 将相关技术商业化，其他学者通过采购仪器来得到应用。
而本工作开辟了推动科研的第三条途径：通过深入挖掘SIM技术及商用仪器的潜在特性，为现有的SIM系统"赋能"，挖掘出了包括其发明人都没有注意到的现有SIM系统内在的偏振探测特性，使现有系统不经任何改动，就可以实现偏振SIM的功能。这使得许多已有SIM系统的生命科学实验室可以直接进行偏振SIM的分析，必将极大地推进偏振超分辨成像的研究。为了便于用户使用，作者已经将这一技术的相关代码在Github网站公开(https://github.com/chenxy2012/PSIM)
本工作的共同第一作者、共同通讯作者为北京大学博雅博士后计划资助的张昊博士，共同第一作者为清华大学自动化系博士生陈星晔。本工作由北京大学席鹏课题组、清华大学戴琼海课题组合作完成。
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