一种创新的新技术利用新颖的DNA条形码系统，在厚重的生物样本中跟踪数百种RNA和蛋白质分子，为研究人员提供了这些结构在组织内部如何组织的完整图景。
对于刘实验室来说，需求确实是发明之母。
研究人员正在研究基因组的三维组织如何控制发育，并且需要在厚组织样本中成像数百种RNA分子，以了解基因在细胞中表达的位置和方式。
仅有一个问题：没有任何工具符合任务要求。一种技术可以在薄层细胞中成像大量RNA分子，但只能在其中操作。另一种方法可以在深层组织中成像，但一次只能检测到三或四种分子。
因此，HHMI的Janelia研究校园的团队决定自行开发工具。结果是一种创新的新技术，利用新颖的DNA条形码系统，在厚生物样本中跟踪单细胞中的数百种RNA和蛋白质分子，为研究人员提供了这些结构在组织内部如何组织的完整图景。
RNA分子携带来自DNA的信息，用于制造在活细胞中开展绝大部分工作的蛋白质。了解这些分子在复杂组织中的位置是理解基因在不同区域和细胞类型中如何表达的关键部分。这些信息使研究人员能够解析基因在生物体不同部分的功能、它们如何促进发育以及它们在疾病中可能如何发生改变。
根据研究人员的说法，除了在生物学和神经科学中的应用外，这种新方法还可能用于诊断成像。
“我认为它将广泛地改变游戏规则，而不仅仅是对我领域的人，”Janelia小组负责人James Liu说。“这是一个为回答非常晦涩的问题而开发的工具，但我认为所有生物学家都可以在他们喜欢的样本中使用该技术。”
深度和通量
这种新的成像工具称为cycleHCR，建立在以前开发的名为杂交链反应（HCR）的技术基础上。该技术通过在目标上组装多个荧光团，当被荧光显微镜成像时，像明亮的信标一样发光，使研究人员能够观察到深层组织中单个细胞中的分子。
但HCR受到目前荧光团的限制，由于它们覆盖的宽光谱，使得一次只能使用三或四种颜色。这意味着研究人员只能在样本中检测出少量分子，难以获得这些分子在组织中如何组织的完整图像。
为了克服这一点，团队设计了新颖的DNA条形码，可以将其附着到目标上。就像超市中产品上的条形码标识每种商品一样，独特的DNA条形码使研究人员能够标记样本中的每种分子。
每个条形码包含两个部分。当这两个部分匹配时，目标通过HCR技术得到扩增。条形码的两个部分确保标签足够特异，以便检测单种RNA分子。
条形码还被设计为易于去除，因此相同样本上可以执行多轮HCR。第一次成像使用三个条形码，检测到三种不同颜色的三种RNA分子。这些条形码被去除，而第二轮成像则使用三种不同的条形码，依此类推，最终在单个样本中发现无限数量的目标。
“我们以一种方式修改了分裂扩增链反应技术，现在我们在其上添加条形码，使我们能够通过多轮检测数百甚至数千种RNA，”刘实验室的高级科学家Valentina Gandin说，她共同领导了这项研究。“条形码是我们增加的一个新颖之处。”
除了检测RNA之外，研究人员还开发了一种方法，使用相同的条形码检测蛋白质，使研究人员更好地了解RNA和蛋白质在组织中的分布。
团队还对系统进行了自动化，使研究人员能够在一整天内检测到多达十二种分子物种，而无需不断监控过程。此外，新研究的共同第一作者、博士后科学家Jun Kim开发了映射基因空间表达的位置，并帮助研究人员解读原始数据的分析方法。刘实验室还与Janelia的科学计算软件支持团队合作，开发了处理所生成大量成像数据的自动化流程。
研究人员与Janelia的其他实验室合作，使用新方法量化小鼠胚胎中的基因表达，在单个样本中量化了254个基因。这使研究人员能够表征胚胎中的所有细胞类型，并发现了以前未被表征的新细胞类型，这些信息对于理解发育至关重要。
这种新技术已经在科学界引起了关注，团队正在努力使更多实验室能够使用这一新工具。他们分享了所有条形码序列，以便其他实验室可以设计自己的探针，即使他们没有自动化系统。团队还在构建其原型系统的更精简版本，并计划与科学界分享其自动化平台。
“最终我们希望每个人都能使用它，”刘说。“我们非常希望我们的技术能够广泛传播，使每位科学家都能使用它。”
