近日，我所生物技术研究部分子探针与荧光成像研究组（1818组）乔庆龙副研究员和徐兆超研究员团队发展了组装介导的细胞膜缓冲荧光探针，实现了对细胞质膜的长时间稳定标记和超分辨动态荧光成像，观察到了质膜丝状伪足的动态运动和细胞外囊泡的分泌过程，发现了两种细胞外囊泡的融合模式，为细胞质膜的超分辨动态成像提供了工具。
细胞质膜是将细胞与细胞外环境区分开的磷脂双分子层结构，在调节物质进出细胞的过程中起着关键作用。质膜高度柔性的结构赋予其高度的动态性，能够动态组装为各种纳米级子结构（2至200nm），如丝状伪足、细胞外囊泡等。这些子结构在维持细胞完整性、促进信号传导和通讯等方面起着重要作用。尽管科研工作者对这些纳米级子结构的相关研究逐步深入，但是高度的动态性及纳米级的尺寸使得原位实时可视化这些质膜子结构的动态行为非常困难，不同功能子结构的形成和融合的具体机制及其异质性仍然不清晰。超分辨荧光成像能够在纳米尺度下原位解析细胞结构，已经成为研究质膜纳米结构和功能的有力工具。然而，由于细胞质膜探针光稳定性不足的限制和细胞内化染色的问题，质膜动力学的超分辨荧光成像仍然具有挑战性。
1818组在前期工作中开发了针对脂滴、溶酶体的“缓冲荧光探针(BFP)”LD-FG（Angew. Chem. Int. Ed.，2021）、LysoSR-549（Angew. Chem. Int. Ed.，2022），克服了荧光染料容易在超分辨成像中光漂白的问题，分别实现了脂滴与溶酶体动力学的长期超分辨率跟踪，发现了新型脂滴融合过程以及四种溶酶体间相互作用模式。
在本工作中，团队将不同长度的烷基链基团引入到带负电荷的荧光素中，开发了细胞不可渗透的质膜“缓冲荧光探针”BMP-14和BMP-16。BMP探针能够形成荧光“暗态”的纳米聚集体，从而能够实现对质膜的特异性“光生”响应。不用长度烷基链可以调控探针聚集体与单体之间的解离平衡，以形成稳定的缓冲池。当质膜上的探针发生光漂白，则可以快速招募来自缓冲池的探针，从而保持质膜荧光的稳定性，实现对质膜的长时程超分辨成像。
团队利用细胞质膜缓冲探针在纳米尺度下监测了质膜的多种动态行为，包括丝状伪足的生长和细胞外囊泡的分泌，监测到细胞外囊泡从丝状伪足的成熟与脱落过程，持续近11分钟。同时，团队也监测到囊泡在细胞膜上的缓慢萌芽过程，该过程可以达到22分钟以上。此外，团队发现了邻近脂质融合与丝状脂质牵引融合的两种不同囊泡融合模式。BMP-16优异的缓冲能力以及对质膜高的信噪比，可以通过与质膜实现动态的结合，产生闪烁特性，具备PAINT成像的能力，实现了对质膜的单分子定位成像，定位精度达到36nm。
相关研究成果以“Cell-impermeable Buffering Fluorogenic Probes for Live-cell Super-resolution Imaging of Plasma Membrane Morphology Dynamics”为题，于近日发表在ACS Sensors上。该工作的第一作者为1818组已毕业博士周伟和博士研究生陶奕，以上研究工作得到国家自然科学基金、我所创新基金等项目的资助。（文/陶奕 图/周伟）
