科技日报记者 罗云鹏 通讯员 向碧霞
记者10月17日从哈尔滨工业大学（深圳）获悉，信息学部计算机科学与技术学院教授张永兵与深圳湾实验室系统与物理生物学研究所研究员侯尚国合作，创新性地将三维主动反馈追踪与高速光谱检测结合，发展出新一代成像方法3D-SpecDIM。相关研究成果于日前发表在《自然·通讯》上。
据悉，该方法不仅能以毫秒级时间分辨率和纳米级空间分辨率记录单分子的三维运动，还能同步解析其光谱随环境变化的细节，为揭示如线粒体自噬和细胞凋亡等复杂生命过程提供了全新视角。
在单分子研究中，传统成像方法只能获取分子的平均信号，无法实时追踪单个分子的运动轨迹和环境变化，成为揭示生命规律与疾病机制瓶颈所在，且分子高速运动与光子数有限的特性，使得同时精确定位并捕捉微环境信息尤为困难。
为验证所提方法性能，科研团队首先对3D-SpecDIM 进行系统性能表征。通过对水溶液中自由扩散的荧光微球进行示踪，结合深度学习的光谱定位算法（SpecViT），系统最高可以达到0.3nm 的光谱峰值定位精度，比传统方法提高30%以上。
对于光谱灵敏度，3D-SpecDIM成功实现在90wt%甘油溶液中对单个染料分子的自由扩散光谱动态长达数秒的观测。
在示踪时间分辨率方面，对于高亮度样本，3D-SpecDIM可以实现纳米级的定位精度与毫秒级的时间分辨率，保证对高速运动分子的连续追踪。
同时，科研人员在使用3D-SpecDIM监测线粒体自噬过程时发现，当溶酶体逐渐向受损线粒体靠近并发生融合时，受损线粒体的酸碱值发生明显的下降。
而借助光谱解混技术，3D-SpecDIM可以精准地还原为可量化的自噬过程酸碱值变化曲线，首次实现在单个线粒体水平上对自噬过程酸碱值变化的实时定量全流程监测。
此外，在细胞膜凋亡起泡实验中，该方法首次同步捕捉到膜极性的动态下降与膜形态的变化，两者之间的速率呈一定相关性。
值得一提的是，这些应用不仅展示出3D-SpecDIM在多维动态成像中的独特优势，也为深入理解细胞内关键生命事件提供了全新的研究工具。
（科研团队供图）
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