四光子荧光显微成像技术与生物大分子动态修饰的时空特异检测

Biomacromolecules in life are always under dynamic modifications at their specific sites or regions. These dynamic chemical modifications are of great significance for physiological processes and pathological changes for life. Development of temporal and spatial specific detection approach is highly beneficial for deeper understanding of dynamic chemical modification of biomacromolecules. Herein, we propose to develop four-photon fluorescence microscopy. Through the optimization of optical hardware and image reconstruction algorithm, we will achieve high-speed, high-resolution, non-destructive, and good-penetration four-photon fluorescent detection. We will then use this new approach to investigate the dynamic behavior of the ubiquitination of Parkinson’s disease related alpha-synuclein protein in a temporal and spatial resolved manner. We also propose to use unnatural tryptophan as fluorescent labeling molecule to reduce perturbations for biomacromolecules' properties caused by labeling. We hope to develop the proposed four-photon fluorescence microscopy to be a novel temporal and spatial resolved specific detection approach for the study of dynamic chemical modification of biomacromolecules in biological tissues.

在生命体中，生物大分子的特定位点或特定区域的化学构成时刻处于某种动态的化学修饰变化之中。这种动态修饰在生命体的生理活动和病理变化中发挥着极其重要的作用。发展时空特异检测技术对深入理解生物大分子动态修饰过程有非常重要的意义。本研究中我们提出研发四光子荧光显微成像技术。我们将通过光学硬件的优化以及最佳图像重构算法的选择，实现高速、高分辨、无损伤、高穿透性的四光子荧光探测。然后，我们将着重应用该技术研究和帕金森病相关的alpha-synuclein蛋白的泛素化动态修饰过程的时空变化规律。我们还提出通过使用非天然色氨酸荧光探针分子来减少探针标记本身对生物大分子化学修饰的内在干扰。我们希望通过本课题的开展，将四光子荧光显微成像技术发展为一种适合生物组织内生物大分子动态修饰过程时空特异检测的新型技术。

在生命体中，生物大分子的特定位点或特定区域的化学构成时刻处于某种动态的化学修饰变化之中。这种动态修饰在生命体的生理活动和病理变化中发挥着极其重要的作用。发展时空特异检测技术对深入理解生物大分子动态修饰过程有非常重要的意义。本研究中我们搭建了多色多光子以及谐波多模式显微成像系统，该系统可以同时进行多种荧光分子标记测量，在提高信噪比的同时可以在同一个光束下进行多个不同波长的测量，减少了改变波长所需的系统优化时间并且不会导致视场丢失。我们开发了基于多光子点扩散函数的统计去噪声方法，对不同数目的光子激发的荧光成像，具有针对性地提高其图像信噪比，在不使图像变模糊，损失图像频域信息的情况下，提高图像的信噪比。我们发展了可用于多光子荧光成像的新型氨基酸荧光探针。研究发现这些荧光分子以及基于它们的衍生物具有作为多光子荧光探针并提高多光子荧光成像分辨率的潜力。构建了与帕金森病相关的alpha-synuclein蛋白泛素化模型体系。我们实现了alpha-synuclein的高效表达，研究了金属离子、有机小分子对alpha-synuclein错误折叠聚集的调控，并开展了多光子荧光成像研究。我们希望通过本课题的开展，将四光子荧光显微成像技术发展为一种适合生物组织内生物大分子动态修饰过程时空特异检测的新型技术。