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記者10月17日從哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）獲悉，信息學(xué)部計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授張永兵與深圳灣實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)與物理生物學(xué)研究所研究員侯尚國合作，創(chuàng)新性地將三維主動反饋?zhàn)粉櫯c高速光譜檢測結(jié)合，發(fā)展出新一代成像方法3D-SpecDIM。相關(guān)研究成果于日前發(fā)表在《自然·通訊》上。

據(jù)悉，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(yùn)動，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。

在單分子研究中，傳統(tǒng)成像方法只能獲取分子的平均信號，無法實(shí)時追蹤單個分子的運(yùn)動軌跡和環(huán)境變化，成為揭示生命規(guī)律與疾病機(jī)制瓶頸所在，且分子高速運(yùn)動與光子數(shù)有限的特性，使得同時精確定位并捕捉微環(huán)境信息尤為困難。

為驗(yàn)證所提方法性能，科研團(tuán)隊(duì)首先對3D-SpecDIM 進(jìn)行系統(tǒng)性能表征。通過對水溶液中自由擴(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。

對于光譜靈敏度，3D-SpecDIM成功實(shí)現(xiàn)在90wt%甘油溶液中對單個染料分子的自由擴(kuò)散光譜動態(tài)長達(dá)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(shí)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(yùn)動分子的連續(xù)追蹤。

同時，科研人員在使用3D-SpecDIM監(jiān)測線粒體自噬過程時發(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，受損線粒體的酸堿值發(fā)生明顯的下降。

而借助光譜解混技術(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)在單個線粒體水平上對自噬過程酸堿值變化的實(shí)時定量全流程監(jiān)測。

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。

值得一提的是，這些應(yīng)用不僅展示出3D-SpecDIM在多維動態(tài)成像中的獨(dú)特優(yōu)勢，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。

（科研團(tuán)隊(duì)供圖）