給分子裝上“攝像機” 我國科學家在多維單分子動態(tài)成像領域取得重要研究進展

深圳新聞網(wǎng)2025年10月17日訊（記者 王茜 通訊員 劉培香 沙浩 向碧霞 ）近日，哈爾濱工業(yè)大學深圳校區(qū)信息學部計算機科學與技術學院張永兵教授與深圳灣實驗室系統(tǒng)與物理生物學研究所侯尚國研究員合作，在三維目標鎖定單分子光譜動態(tài)成像顯微技術（3D-SpecDIM）領域取得重要研究進展，相關成果以《基于3D目標鎖定示蹤的單分子光譜動態(tài)成像》（Single molecule spectrum dynamics imaging with 3D target-locking tracking）為題發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）上。

在瞬息萬變的生命世界里，每一個分子或在細胞膜間游走，或在細胞器中穿梭，其運動軌跡往往記錄著生命活動的關鍵線索。然而，傳統(tǒng)成像方法只能得到成千上萬個分子的平均信號，就像把無數(shù)人說的話混在一起，最后只能聽到嘈雜的“背景音”。單分子動態(tài)研究則像是給每個分子都裝上一臺“攝像機”，讓研究人員能夠實時追蹤它們的運動軌跡、停留時間和環(huán)境變化。這些細節(jié)往往是理解生命基本規(guī)律、揭示疾病發(fā)生機制乃至設計新型藥物的關鍵。

然而，想要在單分子層面同時“看清”位置和環(huán)境絕非易事。分子往往高速運動，光子數(shù)又極為有限，傳統(tǒng)方法常常“顧此失彼”：要么只能追蹤分子的位置，卻丟失了微環(huán)境的理化信息；要么只能獲取光譜，卻無法保證快速運動中分子軌跡的連續(xù)性。為解決這一挑戰(zhàn)，研究人員創(chuàng)新性地將三維主動反饋追蹤與高速光譜檢測結合，發(fā)展出新一代成像方法3D-SpecDIM。該方法不僅能以毫秒級時間分辨率和納米級空間分辨率記錄單分子的三維運動，還能同步解析其光譜隨環(huán)境變化的細節(jié)，為揭示如線粒體自噬和細胞凋亡等復雜生命過程提供了全新視角。

為驗證所提方法性能，團隊首先對3D-SpecDIM進行系統(tǒng)性能表征。通過對水溶液中自由擴散的熒光微球進行示蹤，結合深度學習的光譜定位算法（SpecViT），系統(tǒng)最高可以達到0.3nm的光譜峰值定位精度，比傳統(tǒng)方法提高30%以上。對于光譜靈敏度，3D-SpecDIM成功實現(xiàn)在90wt%甘油溶液中對單個染料分子的自由擴散光譜動態(tài)長達數(shù)秒的觀測。在示蹤時間分辨率方面，對于高亮度樣本，3D-SpecDIM可以實現(xiàn)納米級的定位精度與毫秒級的時間分辨率，保證對高速運動分子的連續(xù)追蹤。同時，研究人員在使用3D-SpecDIM監(jiān)測線粒體自噬過程時發(fā)現(xiàn)，當溶酶體逐漸向受損線粒體靠近并發(fā)生融合時，受損線粒體的酸堿值發(fā)生明顯的下降。借助光譜解混技術，3D-SpecDIM可以精準地還原為可量化的自噬過程酸堿值變化曲線，首次實現(xiàn)在單個線粒體水平上對自噬過程酸堿值變化的實時定量全流程監(jiān)測。此外，在細胞膜凋亡起泡實驗中，該方法首次同步捕捉到膜極性的動態(tài)下降與膜形態(tài)的變化，兩者之間的速率呈一定相關性。這些應用展示了3D-SpecDIM在多維動態(tài)成像中的獨特優(yōu)勢，也為深入理解細胞內關鍵生命事件提供了全新的研究工具。

該課題由哈工大深圳校區(qū)與鵬城實驗室、深圳灣實驗室共同完成。張永兵教授與侯尚國研究員為論文共同通訊作者，深圳校區(qū)博士研究生沙浩、深圳灣實驗室博士生吳宇和張永兵教授為共同第一作者。該研究得到國家自然科學基金、深圳市科技項目基金、深圳灣實驗室聯(lián)合光學顯微成像技術開發(fā)基金等多項基金支持。

3D-SpecDIM裝置原理圖

3D-SpecDIM在活細胞中的增強比例熒光成像

（本文圖片由學校提供）