DNA顯微鏡革命：從基因互動繪製生物3D立體地圖

想像一下，若能用DNA本身（而非光線）為活體生物拍攝每段基因的「照片」會是什麼景象？芝加哥大學的科學家們開發出突破性的「體積DNA顯微鏡」技術，透過標記與追蹤分子互動，建構出斑馬魚胚胎等生物體內前所未有的基因3D立體圖譜。

傳統基因定序雖能分析組織或血液樣本中的遺傳物質，卻無法顯示特定基因序列在樣本中的確切位置，也難以觀察其與周邊基因的互動關係。為此，研究團隊開發出能同時捕捉遺傳物質「身份」與「位置」的新技術——透過標記個別DNA或RNA分子，追蹤相鄰標記的互動模式，利用這些分子網路重建基因的空間排列，最終形成細胞級精度的3D基因活動地圖。

在美國國家衛生研究院及國家科學基金會支援下，芝加哥大學分子工程學助理教授Joshua Weinstein博士耗時十年研發此技術。最新發表於《自然生物技術》的研究中，其團隊成功繪製出斑馬魚胚胎的完整3D DNA地圖。Weinstein形容：「這是人類首次看見如此精細的生物視角，從標本內部觀察自然的感覺令人振奮。」

有別於傳統顯微鏡的光學原理，DNA顯微鏡透過計算分子互動來成像：先為細胞新增稱為「獨特分子識別符號」（UMIs）的短DNA序列標籤，這些標籤會附著在DNA/RNA上並自我複製，產生專屬配對的「獨特事件識別符號」（UEIs）。鄰近的UMIs配對會產生更多UEIs，透過分析這些物理連結，運算模型就能重建基因分子的原始位置，如同利用手機互相定位來描繪城市人群分佈。

此技術無需預先知道基因組資訊或樣本形狀，特別適合研究未知環境中的基因表現。例如腫瘤會產生大量突變，DNA顯微鏡能繪製其微環境與免疫系統的互動熱點；也能解析免疫細胞對病原體的特異性反應機制，為癌症免疫療法或個人化疫苗提供精準指引。Weinstein強調：「這項技術填補了理解特異性組織的關鍵空白，特別是淋巴系統或腫瘤組織中獨特細胞群的全面資訊。」

本研究獲Damon Runyon基金會與Moore基金會資助，論文標題〈利用體積DNA顯微鏡進行完整生物體的空間轉錄組成像〉已於2025年3月27日刊登於《自然生物技術》，DOI編號10.1038/s41587-025-02613-z。