细胞生物分子在纳米尺度上表现出密集的分布和组成对维持正常的生物过程至关重要。然而，现有的技术难以在显微镜的空间分辨率下对这些密集的生物分子进行数字化分析。传统光学显微技术存在光学衍射极限（约200-400 nm），而超分辨荧光显微技术突破衍射极限，可以实现约10-100 nm空间分辨。尽管如此，超分辨技术设备要求高、操作复杂、对普通用户不友好，且容易产生漂移误差，导致信号定位不准确。

近日，西安交通大学赵永席教授团队发展了一种名为分子异化编码显微（Molecule Differentiation Encoding Microscopy, MDEM）的细胞成像技术，可以在光学空间分辨率以下实现高密度生物分子的精准数字化定量分析。该方法设计了正交串联重复DNA标识符（Orthogonal Tandem Repeat DNA Identifiers, OTRDI），通过随机多重区分标记反应，将相同生物分子的不同拷贝编码成不同类型的DNA条形码，结合常规或单分子荧光原位杂交成像技术，将空间分辨范围内的同一光谱的重叠转化为不同光谱的重叠。研究人员还开发了一种自动定量重叠斑点和单个斑点的算法，通过计算重叠光斑的种类数目，即可数字化定量同种分子的拷贝数目，利用该方法分别解析了单细胞中多种生物分子的密集分布，包括细胞质中的RNA、细胞核中的DNA表观遗传修饰以及细胞表面的聚糖glycan和glycoRNA。此外，研究人员还展望了该技术在探索线粒体（约500-1000 nm）、脂筏（约50-250 nm）等细胞微小区室的应用前景，并讨论了该技术与多轮组合编码成像、超分辨显微成像或拉曼成像整合的可行性。这一创新技术为解析致密生物分子的潜在功能和机制提供了强有力的工具，在细胞生物学、表观遗传学、糖生物学、临床医学等领域具有重要应用。

分子异化编码显微技术解析纳米环境中密集生物分子的示意图

(a) 以前的显微成像方法   (b) 我们提出的方法 

(c) 四种主要生物分子 (RNA、glycan、5hmC和glycoRNA) 的DNA识别标记与编码方法 

(d) 不同光谱重叠信号点和单个信号点的自动量化算法流程示意图 

该研究工作以《分子异化编码显微技术剖析低于空间分辨尺寸的细胞纳米环境密集生物分子》（Molecule Differentiation Encoding Microscopy to Dissect Dense Biomolecules in Cellular Nanoenvironments Below Spatial Resolution）为题在国际权威期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上在线发表。西安交大生命学院生物医学信息工程教育部重点实验室为该论文第一作者单位和通讯作者单位，前沿科学技术研究院为共同通讯单位，赵永席教授和陈锋教授为共同通讯作者，硕士研究生樊思樾和李欣音为共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、西安交大青年拔尖人才计划等多个项目的共同资助，实验测试得到西安交大分析测试中心的大力支持。上述工作是该团队在DNA编码单细胞分析领域的又一重要成果，前期建立的系列DNA编码分析方法已发表在《自然-实验手册》（Nature Protocols）、《自然-通讯》（Nature Communications）、《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）、《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）、《核酸研究》（Nucleic Acids Research）等期刊。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202425136

赵永席教授研究团队主页链接：http://gr.xjtu.edu.cn/web/yxzhao