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(xué)深圳校區(qū)信息學(xué)部計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張永兵教授與深圳灣實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)與物理生物學(xué)研究所侯尚國(guó)研究員合作，在三維目標(biāo)鎖定單分子光譜動(dòng)態(tài)成像顯微技術(shù)（3D-SpecDIM）領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，相關(guān)成果以《基于3D目標(biāo)鎖定示蹤的單分子光譜動(dòng)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(gè)分子或在細(xì)胞膜間游走，或在細(xì)胞器中穿梭，其運(yùn)動(dòng)軌跡往往記錄著生命活動(dòng)的關(guān)鍵線索。然而，傳統(tǒng)成像方法只能得到成千上萬個(gè)分子的平均信號(hào)，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(dòng)態(tài)研究則像是給每個(gè)分子都裝上一臺(tái)“攝像機(jī)”，讓研究人員能夠?qū)崟r(shí)追蹤它們的運(yùn)動(dòng)軌跡、停留時(shí)間和環(huán)境變化。這些細(xì)節(jié)往往是理解生命基本規(guī)律、揭示疾病發(fā)生機(jī)制乃至設(shè)計(jì)新型藥物的關(guān)鍵。

然而，想要在單分子層面同時(shí)“看清”位置和環(huán)境絕非易事。分子往往高速運(yùn)動(dòng)，光子數(shù)又極為有限，傳統(tǒng)方法常?！邦櫞耸П恕保阂粗荒茏粉櫡肿拥奈恢茫瑓s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(yùn)動(dòng)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(dòng)反饋?zhàn)粉櫯c高速光譜檢測(cè)結(jié)合，發(fā)展出新一代成像方法3D-SpecDIM。該方法不僅能以毫秒級(jí)時(shí)間分辨率和納米級(jí)空間分辨率記錄單分子的三維運(yùn)動(dòng)，還能同步解析其光譜隨環(huán)境變化的細(xì)節(jié)，為揭示如線粒體自噬和細(xì)胞凋亡等復(fù)雜生命過程提供了全新視角。

為驗(yàn)證所提方法性能，團(tuán)隊(duì)首先對(duì)3D-SpecDIM進(jìn)行系統(tǒng)性能表征。通過對(duì)水溶液中自由擴(kuò)散的熒光微球進(jìn)行示蹤，結(jié)合深度學(xué)習(xí)的光譜定位算法（SpecViT），系統(tǒng)最高可以達(dá)到0.3nm的光譜峰值定位精度，比傳統(tǒng)方法提高30%以上。對(duì)于光譜靈敏度，3D-SpecDIM成功實(shí)現(xiàn)在90wt%甘油溶液中對(duì)單個(gè)染料分子的自由擴(kuò)散光譜動(dòng)態(tài)長(zhǎng)達(dá)數(shù)秒的觀測(cè)。在示蹤時(shí)間分辨率方面，對(duì)于高亮度樣本，3D-SpecDIM可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的定位精度與毫秒級(jí)的時(shí)間分辨率，保證對(duì)高速運(yùn)動(dòng)分子的連續(xù)追蹤。同時(shí)，研究人員在使用3D-SpecDIM監(jiān)測(cè)線粒體自噬過程時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溶酶體逐漸向受損線粒體靠近并發(fā)生融合時(shí)，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(shù)，3D-SpecDIM可以精準(zhǔn)地還原為可量化的自噬過程酸堿值變化曲線，首次實(shí)現(xiàn)在單個(gè)線粒體水平上對(duì)自噬過程酸堿值變化的實(shí)時(shí)定量全流程監(jiān)測(cè)。此外，在細(xì)胞膜凋亡起泡實(shí)驗(yàn)中，該方法首次同步捕捉到膜極性的動(dòng)態(tài)下降與膜形態(tài)的變化，兩者之間的速率呈一定相關(guān)性。這些應(yīng)用展示了3D-SpecDIM在多維動(dòng)態(tài)成像中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，也為深入理解細(xì)胞內(nèi)關(guān)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(shí)驗(yàn)室、深圳灣實(shí)驗(yàn)室共同完成。張永兵教授與侯尚國(guó)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(shí)驗(yàn)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(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市科技項(xiàng)目基金、深圳灣實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合光學(xué)顯微成像技術(shù)開發(fā)基金等多項(xiàng)基金支持。

3D-SpecDIM裝置原理圖

3D-SpecDIM在活細(xì)胞中的增強(qiáng)比例熒光成像

（本文圖片由學(xué)校提供）