近日，深圳灣實驗室侯尚國團隊聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）張永兵團隊成功研發(fā)出三維目標(biāo)鎖定單分子光譜動態(tài)顯微鏡（3D-SpecDIM），實現(xiàn)對生物分子三維運動軌跡與化學(xué)特性動態(tài)變化的同步捕捉！該項研究在《自然通訊》（Nature communications）雜志在線發(fā)表。簡單說，它能一邊“盯住”高速運動的單個分子在三維空間里的軌跡，一邊實時記錄分子的“顏色”/光譜如何隨微環(huán)境變化而漂移，把以往“要么看位置，要么看性質(zhì)”的兩難，一把梭解決。

一句話看懂有何不同

□ 以往：你能追蹤分子“去哪兒了”，卻很難同時知道它“變成了什么”。

□ 現(xiàn)在：3D-SpecDIM同時測“位置信息（3D 軌跡）”和“化學(xué)信息（光譜峰位、形狀等）”，等于給分子裝上GPS與驗金筆，動態(tài)讀取它身邊微環(huán)境的酸堿度、極性、結(jié)合狀態(tài)等線索。

 

3D-SpecDIM 裝置原理圖

為什么是突破

1.又快又準(zhǔn)：系統(tǒng)只需拍一條譜線，就能把光譜對上號，理論幀率可達 644 fps；在高光子數(shù)下，光譜定位精度做到0.3 nm量級。

2.AI 加持：引入 Vision Transformer（帶域自適應(yīng)，ViT_d），光譜定位精度相對傳統(tǒng)高斯擬合提升約 32%（1.63 nm → 1.11 nm）。

3.單分子靈敏度：同時追蹤與成譜所需的最小單光子計數(shù)約5 kHz，與單熒光染料信號量級相當(dāng)。

三個“硬核示范”，直觀說明它能干啥

示范一：看清線粒體自噬“入酸之旅”

研究把線粒體標(biāo)上 pH 傳感探針，同時監(jiān)測溶酶體信號。用光譜解混算出更“干凈”的比值曲線，測得溶酶體 pH≈4.5（與文獻一致）；對照的雙通道強度比法卻給出 pH≈6，偏差明顯。多條軌跡顯示誘導(dǎo)組的 pH 比值下降更多、擴散更快。此外，系統(tǒng)還能同時重建溶酶體的 3D 體積圖，把“點”的運動與“器官”的形態(tài)放在一張三維圖里看。

3D-SpecDIM用于在活細(xì)胞中實時監(jiān)測線粒體自噬