深圳新聞網2025年10月17日訊（記者 王茜 通(tong)訊員 劉培(pei)香(xiang) 沙浩(hao) 向碧霞 ）近日，哈爾濱工業大學深(shen)圳(zhen)校區信息學部計算機科學與(yu)技術學院張永兵教授與(yu)深(shen)圳(zhen)灣實驗室系統與(yu)物(wu)理生物(wu)學研(yan)究(jiu)所侯(hou)尚國研(yan)究(jiu)員合作，在三(san)維(wei)目(mu)標鎖定(ding)單分子(zi)光譜動(dong)(dong)態(tai)成像(xiang)顯微技術（3D-SpecDIM）領域取得重要研(yan)究(jiu)進展(zhan)，相關成果以《基于3D目(mu)標鎖定(ding)示蹤的單分子(zi)光譜動(dong)(dong)態(tai)成像(xiang)》（Single molecule spectrum dynamics imaging with 3D target-locking tracking）為題(ti)發表在《自(zi)然通(tong)訊》（Nature Communications）上。

在瞬息萬變(bian)的(de)(de)生(sheng)命(ming)世界(jie)里，每一個(ge)分(fen)子(zi)或在細(xi)胞膜間游(you)走，或在細(xi)胞器(qi)中(zhong)穿梭(suo)，其運動軌跡(ji)往往記錄著生(sheng)命(ming)活動的(de)(de)關鍵(jian)線索(suo)。然而(er)，傳統成(cheng)像(xiang)方法只能(neng)得(de)到(dao)成(cheng)千上萬個(ge)分(fen)子(zi)的(de)(de)平均信號，就像(xiang)把無數人說的(de)(de)話(hua)混在一起，最后只能(neng)聽到(dao)嘈(cao)雜的(de)(de)“背景音(yin)”。單分(fen)子(zi)動態研究則像(xiang)是(shi)給每個(ge)分(fen)子(zi)都裝上一臺“攝像(xiang)機”，讓研究人員能(neng)夠(gou)實時追(zhui)蹤它們的(de)(de)運動軌跡(ji)、停留(liu)時間和環境變(bian)化(hua)。這些細(xi)節(jie)往往是(shi)理解生(sheng)命(ming)基本規律、揭示疾(ji)病發生(sheng)機制乃至設計新型藥(yao)物的(de)(de)關鍵(jian)。

然而，想要在(zai)單(dan)分子(zi)(zi)層(ceng)面同(tong)(tong)時“看(kan)清”位置和(he)環境(jing)絕非(fei)易事(shi)。分子(zi)(zi)往往高速(su)運動，光子(zi)(zi)數(shu)又極為(wei)有(you)限，傳(chuan)統方(fang)法(fa)(fa)常(chang)常(chang)“顧此失彼(bi)”：要么(me)只能(neng)追蹤分子(zi)(zi)的(de)位置，卻丟失了微環境(jing)的(de)理化信息(xi)；要么(me)只能(neng)獲取光譜(pu)，卻無法(fa)(fa)保證快速(su)運動中(zhong)分子(zi)(zi)軌跡的(de)連續(xu)性。為(wei)解決這一挑戰，研究人員(yuan)創新(xin)(xin)性地將三維主動反(fan)饋追蹤與高速(su)光譜(pu)檢測結合(he)，發展出新(xin)(xin)一代成像方(fang)法(fa)(fa)3D-SpecDIM。該方(fang)法(fa)(fa)不僅能(neng)以毫秒級時間分辨率和(he)納(na)米級空間分辨率記錄單(dan)分子(zi)(zi)的(de)三維運動，還能(neng)同(tong)(tong)步解析(xi)其光譜(pu)隨環境(jing)變化的(de)細(xi)節，為(wei)揭(jie)示如線(xian)粒(li)體(ti)自噬和(he)細(xi)胞凋亡等復雜生命過程提供了全新(xin)(xin)視(shi)角。

為(wei)驗證所提方(fang)法性能，團(tuan)隊首(shou)先(xian)對3D-SpecDIM進(jin)行系(xi)統性能表征。通過對水溶(rong)液中自(zi)由(you)(you)擴(kuo)散(san)的(de)(de)(de)(de)熒光(guang)(guang)微球進(jin)行示(shi)蹤，結合(he)深度(du)學習的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)譜(pu)定位(wei)算法（SpecViT），系(xi)統最高可以達到0.3nm的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)譜(pu)峰值定位(wei)精度(du)，比傳統方(fang)法提高30%以上(shang)。對于光(guang)(guang)譜(pu)靈敏度(du)，3D-SpecDIM成功實(shi)現(xian)在(zai)(zai)90wt%甘油溶(rong)液中對單個染(ran)料分子的(de)(de)(de)(de)自(zi)由(you)(you)擴(kuo)散(san)光(guang)(guang)譜(pu)動態(tai)長達數秒(miao)的(de)(de)(de)(de)觀測。在(zai)(zai)示(shi)蹤時(shi)(shi)間(jian)分辨(bian)率(lv)(lv)方(fang)面，對于高亮度(du)樣(yang)本，3D-SpecDIM可以實(shi)現(xian)納(na)米級的(de)(de)(de)(de)定位(wei)精度(du)與毫秒(miao)級的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)分辨(bian)率(lv)(lv)，保證對高速運動分子的(de)(de)(de)(de)連(lian)續追蹤。同(tong)時(shi)(shi)，研(yan)究(jiu)人員在(zai)(zai)使用3D-SpecDIM監(jian)測線(xian)粒(li)體自(zi)噬(shi)過程時(shi)(shi)發(fa)(fa)現(xian)，當溶(rong)酶體逐(zhu)漸向受(shou)損線(xian)粒(li)體靠近并發(fa)(fa)生(sheng)融合(he)時(shi)(shi)，受(shou)損線(xian)粒(li)體的(de)(de)(de)(de)酸堿值發(fa)(fa)生(sheng)明顯的(de)(de)(de)(de)下降。借助(zhu)光(guang)(guang)譜(pu)解混技(ji)術，3D-SpecDIM可以精準地還原為(wei)可量化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)自(zi)噬(shi)過程酸堿值變化(hua)(hua)曲線(xian)，首(shou)次(ci)實(shi)現(xian)在(zai)(zai)單個線(xian)粒(li)體水平上(shang)對自(zi)噬(shi)過程酸堿值變化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)實(shi)時(shi)(shi)定量全流程監(jian)測。此外，在(zai)(zai)細(xi)胞膜凋亡起泡(pao)實(shi)驗中，該方(fang)法首(shou)次(ci)同(tong)步捕捉到膜極(ji)性的(de)(de)(de)(de)動態(tai)下降與膜形(xing)態(tai)的(de)(de)(de)(de)變化(hua)(hua)，兩者(zhe)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)速率(lv)(lv)呈(cheng)一定相關性。這些(xie)應用展示(shi)了(le)3D-SpecDIM在(zai)(zai)多維動態(tai)成像(xiang)中的(de)(de)(de)(de)獨特優勢，也為(wei)深入理解細(xi)胞內關鍵(jian)生(sheng)命事件提供了(le)全新的(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)工具。

該課(ke)題(ti)由哈工大(da)深圳(zhen)(zhen)校區與鵬城實驗室(shi)(shi)、深圳(zhen)(zhen)灣(wan)(wan)實驗室(shi)(shi)共同(tong)(tong)完(wan)成(cheng)。張(zhang)永兵教(jiao)授與侯尚國(guo)研(yan)究(jiu)員為論文共同(tong)(tong)通訊作者(zhe)，深圳(zhen)(zhen)校區博(bo)士研(yan)究(jiu)生(sheng)沙(sha)浩、深圳(zhen)(zhen)灣(wan)(wan)實驗室(shi)(shi)博(bo)士生(sheng)吳宇和張(zhang)永兵教(jiao)授為共同(tong)(tong)第一作者(zhe)。該研(yan)究(jiu)得到國(guo)家自(zi)然科學(xue)基金、深圳(zhen)(zhen)市科技項目基金、深圳(zhen)(zhen)灣(wan)(wan)實驗室(shi)(shi)聯(lian)合(he)光學(xue)顯微成(cheng)像技術開發(fa)基金等多項基金支(zhi)持。

3D-SpecDIM裝置原理(li)圖

3D-SpecDIM在活細胞中的增(zeng)強比例熒光成像(xiang)

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