8.1.1 建设目标
根据国际生命科学的发展趋势和国家的战略需求，针对我国蛋白质科学研究的现状、需求以及目前的技术条件，旨在建立一个能够满足在分子、细胞和活体水平上开展蛋白质、蛋白质复合物、蛋白质机器、蛋白质网络以及相应代谢过程、信号转导和细胞活动等生命活动和过程研究之需求的完整技术设备体系。
复合激光显微镜系统，重点参与建设两方面的蛋白质科学研究能力。其一是多尺度结构分析能力：建立和发展从分子到生物大分子复合物、从纳米到微米尺度的结构研究平台，开展对蛋白质单分子元件及其复合物、膜蛋白复合物、蛋白质机器等超大分子复合物、细胞器结构的研究。二是多层次动态研究能力：建立和发展包括单分子技术、纳米技术、示踪技术以及分子标记技术等先进技术在内的分子影像技术平台；建立和发展包括细胞与活体层次在内的蛋白质结构与功能的分析研究技术平台；开展对蛋白质折叠、转运、降解等分子活动过程以及细胞信号转导等活体功能过程中关键蛋白质时空定位及其相互作用网络的研究。
因此，复合激光显微镜系统的科学目标是：主要用于研究蛋白质细胞定位、组织或细胞的微细结构和蛋白质分子在细胞内的动态过程等。它在观察活组织内蛋白质结构和功能的动态变化以及细胞网络的协同活动方面，具有突出的优势。通过建立和发展复合激光显微成像平台，建成高时空分辨率、高通量活细胞分析及原位蛋白质示踪等蛋白质功能分析系统，实现蛋白质高空间分辨率的瞬时定位，在活细胞状态下实时追踪其动态变化，并进行高通量的活细胞快速分析和分选，实现蛋白质在细胞生命活动中的动态性及多样性研究，以阐明蛋白质在活细胞中结构与功能的效应关系。
8.1.2 利用计划
自从超高分辨率成像技术出现以来，光学显微镜已经突破衍射极限（图8-1），实验室分辨率最高可达约1 nm，可以观察从小动物到单分子水平的各类实验样品。科学家还在继续努力，从染料、荧光蛋白质、成像方式等各方面进行探索和寻求突破，以期获得更好的时间-空间分辨率和更多的应用方向。
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图8-1 虚线左边部分用光学显微镜可分辨，右边部分因尺寸小于衍射极限而无法用光学显微镜分辨
图片改自Illustration©Johan Jarnestad／The Royal Swedish Academy of Sciences。
并不是所有的实验都需要高的空间分辨率，例如分辨率与速度往往就是鱼与熊掌不可兼得的两个因素，故而每一种成像技术都有其应用方向。一般来讲，不同的成像技术适用于不同的实验目的。例如对于免疫组化的实验样品，用宽场显微镜就已经足够；如果想看亚细胞结构的定位与分布，单光子激光共聚焦就可以做到；如果要做快速成像，则可以根据是细胞样品还是组织等因素，来决定是选择转盘式激光共聚焦，还是选择光片成像；如果希望观察得更深一点，则需要穿透力更好的双光子成像；如果想要观察细胞内蛋白质的结构和定位，那就可能需要结构照明显微镜（SIM）、随机光学重构显微镜（STORM）、受激发损耗显微镜（STED）[1]等超高分辨率技术，分别达到约100、20和40 nm的分辨率。如果需要获取实时快速的生物效应信息，就需要使用高通量细胞分析仪。如果仅须对样品进行多参数分析，则使用流式细胞分析仪；如果需要将目标细胞从样品细胞群中分离并收集起来，则使用分选仪。
根据用户样品的类型及实验研究的目的，选择合适的实验方法和手段是极为重要的。考虑到大多数应用方向的需求，复合激光显微镜系统4个模块的各模块之间，既是相对独立的，又可以结合不同的实验手段，对蛋白质的时空定位、相互作用、统计分析结果等进行相互印证，以综合研究蛋白质在生命活动中的功能。利用转盘式激光共聚焦显微镜进行活细胞的长时间观察示踪，完成多波长、Z轴多切片快速时间分辨的生物动态过程的成像工作，实现超高性能的四维和五维的实时观察记录特性，实现超高速、高分辨率的活细胞成像。通过双光子显微镜和单光子激光共聚焦显微镜，实现荧光标记细胞及深层组织蛋白质高分辨率定位；通过超高分辨率显微镜，实现超高分辨率组织切片和细胞蛋白质荧光成像；对于多孔板（96～1 384孔板）培养细胞，可以利用高通量细胞分析仪、高性能分析软件及图像工作站，实现高通量细胞成像统计分析；通过流式细胞仪和荧光激发细胞分选仪，可以对荧光标记细胞进行高速分析及分选（图8-2）。
图8-2 复合激光显微镜系统的构成及对应功能图
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