麻省理工学院和哈佛大学广泛研究所的研究人员开发了一种新的方法来绘制细胞群，并可视化生物分子(包括不同的DNA和RNA序列)如何在细胞和组织中进行空间组织。这种被称为DNA显微镜的方法不需要任何光学或其他专用设备，而是使用核酸条形码来确定分子在样品中的相对位置。使用标准实验室设备进行，该过程仅需要细胞样品，一些试剂和移液管，并且允许同时处理大量样品。

麻省理工学院和哈佛大学博士后研究员Joshua Weinstein博士说：“DNA显微镜是一种全新的细胞可视化方式，可同时从单个样本中捕获空间和遗传信息。”“这将使我们能够看到遗传上独特的细胞 - 例如包含免疫系统，癌症或肠道的细胞 - 如何相互作用并产生复杂的多细胞生命。”

Weinstein与计算和系统生物学家Aviv Regev博士和分子生物学家Feng Zhang博士一起报道了Cell的新技术。Regev补充说：“这不仅仅是一种新技术，而是一种我们以前从未考虑过的事情。”该团队发表的论文描述了人体细胞系的新方法和测试，标题为“DNA显微镜：通过独立化学反应进行无光学空间遗传成像”。

今天的显微镜技术分为两个基本类别。人们使用某种形式的光学器件，包括自17世纪以来一直存在的基本光学显微镜 - 以及更新近的电子，荧光和光片显微镜，它们都依赖于样品发射光子或电子的事实，这可能是检测。这种类型的显微镜可以提供有关亚细胞结构和功能的信息。第二类显微镜是基于在特定位置解剖样本，并利用计算机程序将每个部分重新组装成整体。与光学技术不同，基于解剖的显微技术可以提供遗传信息。

尚未开发的是单一技术，可以完成光学和基于解剖的方法。“尽管细胞和组织的成像一直是生物学的基石，因为几个世纪以前在光学显微镜下发现了细胞，但显微镜技术的进步迄今为止并没有结合不断增长的能力来精确测量基因组序列，”作者说。“虽然显微镜照亮了空间细节，但它不会捕获遗传信息，除非它与单独的基因检测同时进行。”

理想情况下，我们将能够识别具有差异基因表达模式的细胞位于特定组织内的何处。“组织中具有独特基因表达模式的细胞的空间组织对其功能至关重要，并且是高等生物分化，专业化和生理学的基础，”该团队继续说道。对于包括肠和神经系统，免疫系统和肿瘤的组织而言，这是正确的，其中表达具有不同突变的基因的不同细胞的组织可以影响肿瘤发生。

作者解释，与现有的显微镜方法相比，DNA显微镜依赖于从单个分子的相对物理接近度进行的图像重建，并且以这种方式可以在高空间分辨率下获得精确的遗传信息。对于他们报道的研究，研究人员使用DNA显微镜来绘制样本中个体人类癌细胞的位置。

为了可视化样本的空间组织遗传景观，研究人员首先将实验室培养的细胞固定在反应室中。然后，他们使用称为独特分子标识符(UMI)的小型合成DNA条形码随机标记细胞中的单个DNA或RNA分子。然后复制这些标签，从其原始位置向外扩散到“云”中。“......将每一个分子描绘成一个向外广播自己信号的无线电塔，”温斯坦说。当它们扩散出来时，复制的标记分子最终会与其他标记分子发生碰撞，并且它们结合成DNA对。然后，每次碰撞都有效地代表了作为化学反应的新DNA序列产物。彼此接近的分子更可能碰撞并产生DNA对。反过来，

样品基本上点缀有化学离散点。通过跟踪UMI复制云之间的碰撞，研究人员可以减少原始UMI位置的不确定性。收集标记的生物分子，测序，然后使用计算机算法解码数据并重建标签的相对位置。得到的图像是物理空间中分子位置的二维或三维遗传详细图。

该图基于数十万个不同的维度，由标记分子可以合理地传达的分子数决定。“样本中的化学反应将信息编码到DNA中，算法可以从中解码分子的相对位置，而无需事先了解细胞身份或遗传变异的性质，”Weinstein总结道。“DNA显微镜为我们提供了没有显微镜定义的坐标系的微观信息。”

实际上，DNA显微镜可用于绘制任何可与合成DNA标签相互作用的分子组，包括基因组DNA，RNA或具有DNA标记抗体的蛋白质。“就像光学显微镜图像分子与光子相互作用一样(由于衍射或散射或因为这些分子自身发射光子)并在这些光子的波长和方向上编码这些图像，DNA显微镜成像与DNA相互作用的分子(包括用DNA或RNA标记的DNA，RNA或分子)并对这些图像进行编码，“作者指出。“由于DNA显微镜不依赖于专门的设备，并且可以使用普通实验室移液器以多孔格式进行，因此它具有高度可扩展性，因此可以并行处理大量样品。”

“你基本上能够在光学显微镜下精确地重建你所看到的东西，”温斯坦说：“我们在数学上与光学显微镜中的光子类似地使用了DNA。这使我们能够像细胞一样看待生物学，而不是像人眼一样。“

作者承认，这项技术并不完美，因为它无法解决空间，例如两个单元之间的间隙。需要做更多的工作来解决这个问题。“... DNA显微镜的一个关键弱点仍然是空间的分辨率，未来的工作将需要消除这一障碍，以便在分子密度存在空隙的情况下生成高质量的样品重建，”该团队评论道。然而，“DNA显微镜是研究细胞组织组织的一种引人注目的方法，如淋巴细胞，神经元或突变的癌细胞，其中体细胞突变，重组基因片段和其他核苷酸水平变异来源赋予了重要的物理特征。后果“。

Weinstein认为，该技术最激动人心的应用将是生物学领域，其中突变，RNA编辑和其他形式的核苷酸水平变异在生物体内协同作用，以产生特定的生理结果，或引起疾病。“通过直接从被研究的分子中捕获信息，DNA显微镜开辟了一种将基因型与表型联系起来的新方法，”郑评论说。

潜在的应用包括观察免疫系统发育，神经系统结构，以及在相同肿瘤内的不同细胞中映射基因突变与其与其他细胞和免疫系统的相互作用。“我们希望它激发想象力 - 人们会受到我们从未想过的伟大创意的启发，”Regev说。