DNA显微镜从内到外创建生物体的3D图像

标准的基因测序方法可以告诉你很多关于样本中基因组成和活性的信息，比如一块组织或一滴血。但它们不会告诉你特定的基因序列在样本中的位置，也不会告诉你它们与其他基因和分子的关系

芝加哥大学的研究人员正在开发一种克服这些挑战的新技术。通过标记每个DNA或RNA分子并允许相邻的标签相互作用，该技术构建了一个分子网络，对它们的相对位置进行编码，从而创建了遗传物质的空间图

这项技术被称为体积DNA显微镜，可以从内到外创建整个生物体的3D图像，为科学家提供了前所未有的遗传序列及其位置，甚至是单个细胞的视图

芝加哥大学医学与分子工程助理教授Joshua Weinstein博士花了12年多的时间开发DNA显微镜

在《自然生物技术》发表的一篇论文中，温斯坦和博士后学者钱念超使用该技术创建了斑马鱼胚胎的完整DNA图像，斑马鱼是研究发育和神经生物学的常见模式生物

韦恩斯坦说：“这是一种以前从未见过的生物学水平。”。“能够从标本中看到这种自然景观令人振奋。”

与使用光或透镜的传统显微镜不同，DNA显微镜通过计算分子之间的相互作用来创建图像，为在3D中可视化遗传物质提供了一种新方法

首先，将称为独特分子标识符（UMI）的短DNA序列标签添加到细胞中。它们附着在DNA和RNA分子上，开始复制自己。这会启动一个化学反应，产生新的序列，称为唯一事件标识符（UEI），每个配对都是唯一的。

正是这些配对有助于创建每个遗传分子所在位置的空间图。靠近的UMI对比相距较远的UMI配对更频繁地相互作用，并产生更多的UEI

一旦DNA和RNA被测序，计算模型就会通过分析UMI标签之间的物理联系来重建它们的原始位置，从而创建基因表达的空间图

温斯坦将这项技术比作使用手机相互ping的数据来确定人们在城市中的位置。知道每个人的手机号码或IP地址就像知道一个分子的基因序列一样，但如果你能叠加他们与附近其他手机的相互作用，你也可以计算出他们的位置

“我们可以用手机和人来做这件事，那么为什么不用分子和细胞来做呢，”他说

“这彻底改变了成像的想法。我们可以利用生物化学和DNA在分子之间形成一个巨大的网络，并对它们之间的接近程度进行编码，而不是依靠光学仪器来照射光线。”

DNA显微镜不依赖于对基因组或标本形状的先验知识，因此它可能有助于理解独特、未知环境中的遗传表达。例如，肿瘤会产生无数新的基因突变，因此该工具将能够绘制出肿瘤微环境及其与免疫系统相互作用的位置

免疫细胞相互作用，并以特定的方式对病原体做出反应，因此DNA显微镜可以帮助揭示这些遗传机制。这些应用反过来可以指导癌症更精确的免疫疗法或定制个性化疫苗

Weinstein说：“这是能够真正全面了解淋巴系统或肿瘤组织内独特细胞群的关键基础。”

“在允许我们理解特殊组织的技术方面仍然存在这一重大差距，这就是我们在这里试图填补的。”