给分子装上“GPS + 验金笔”：三维目标锁定单分子光谱动态显微镜

近日，深圳湾实验室侯尚国团队联合哈尔滨工业大学（深圳）张永兵团队成功研发出三维目标锁定单分子光谱动态显微镜（3D-SpecDIM），实现对生物分子三维运动轨迹与化学特性动态变化的同步捕捉！该项研究在《自然通讯》（Nature communications）杂志在线发表。简单说，它能一边“盯住”高速运动的单个分子在三维空间里的轨迹，一边实时记录分子的“颜色”/光谱如何随微环境变化而漂移，把以往“要么看位置，要么看性质”的两难，一把梭解决。

一句话看懂有何不同

□ 以往：你能追踪分子“去哪儿了”，却很难同时知道它“变成了什么”。

□ 现在：3D-SpecDIM同时测“位置信息（3D 轨迹）”和“化学信息（光谱峰位、形状等）”，等于给分子装上GPS与验金笔，动态读取它身边微环境的酸碱度、极性、结合状态等线索。

 

3D-SpecDIM 装置原理图

为什么是突破

1.又快又准：系统只需拍一条谱线，就能把光谱对上号，理论帧率可达 644 fps；在高光子数下，光谱定位精度做到0.3 nm量级。

2.AI 加持：引入 Vision Transformer（带域自适应，ViT_d），光谱定位精度相对传统高斯拟合提升约 32%（1.63 nm → 1.11 nm）。

3.单分子灵敏度：同时追踪与成谱所需的最小单光子计数约5 kHz，与单荧光染料信号量级相当。

三个“硬核示范”，直观说明它能干啥

示范一：看清线粒体自噬“入酸之旅”

研究把线粒体标上 pH 传感探针，同时监测溶酶体信号。用光谱解混算出更“干净”的比值曲线，测得溶酶体 pH≈4.5（与文献一致）；对照的双通道强度比法却给出 pH≈6，偏差明显。多条轨迹显示诱导组的 pH 比值下降更多、扩散更快。此外，系统还能同时重建溶酶体的 3D 体积图，把“点”的运动与“器官”的形态放在一张三维图里看。

3D-SpecDIM用于在活细胞中实时监测线粒体自噬