我国科研团队开发出纳米级三维各向同性超分辨显微镜

近日，中国科学院生物物理研究所研究团队，研制出三维干涉定位显微镜（ROSE-3D），并在单分子定位成像领域，实现了基于相机的纳米尺度三维各向同性分辨率。团队通过设计基于光电偏转器的高速切换照明光路，使ROSE-3D在X、Y、Z三个方向同时引入干涉光，实现了小于1微秒的干涉条纹切换时间。相关研究成果发表在《自然·方法》（Nature Methods）上。

传统的基于图形质心定位的单分子定位显微镜，各方向分辨率有较大差异，且三维样本中离焦单分子成像光斑变大，也会导致分辨率大幅下降。ROSE-3D通过三维干涉定位，摆脱了对单分子形状的依赖，在约一微米景深范围内，可将横向定位精度提升2倍至6倍，轴向定位精度提升3.5倍至8倍。ROSE-3D单层成像凭借优异的三维解析能力，可对细胞内1微米厚度的结构实现纳米分辨率的解析。

进一步，团队拓展了ROSE-3D多色与多层成像功能，实现了对COS-7细胞中核纤层蛋白lamin A/C与lamin B1的双色成像。统计分析显示，lamin A/C分布于lamin B1内侧，两者间距约10纳米，这是首次从三维全细胞核尺度揭示该分布的特征。同时，团队利用三维各向同性纳米分辨能力，捕捉到了线粒体分裂关键蛋白DPR1组成的复合体在线粒体外膜组装成螺旋状、环状等多种形态，这也是首次在原位实现对该蛋白复合物的结构解析。

研究表明，ROSE-3D作为一项三维多色纳米分辨率成像新技术，以超高分辨率，实现对亚细胞器结构以及生物大分子复合物的精准定位与组装分析，为细胞原位三维纳米结构的研究提供了技术支持。该研究突破了传统光学超分辨成像分辨率各向异性的瓶颈，克服了成像方向和深度上的不均一性难题，实现了分子尺度的三维各向同性超分辨率成像。同时，ROSE-3D在解析生物样品内三维纳米结构，以及揭示生物大分子的原位组装机制等方面具有重要意义。目前，该技术已在怀柔科学城实现落地转化，助力高端科学仪器国产化。

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ROSE-3D的工作原理及对微管中空结构解析

研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院以及北京市等的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41592-025-02911-z