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BioSonic光谱技术：追踪病毒“声音”，助力抗病毒药物研发
作者：欧光科技 发表时间：2025-02-28 17:31:52
近日，密歇根州立大学的研究人员取得一项重要科研突破，他们借助超快光谱技术，在环境条件下成功追踪单个未标记病毒颗粒在兆赫至太赫兹光谱范围内的振动运动。这一创新性成果有望为病毒研究领域带来全新变革。
该团队所采用的方法被称为BioSonic光谱技术。
为了捕捉病毒的“声音”，研究人员聚焦于小于100纳米的单个病毒的量化声振动。具体操作时，他们将病毒样本放置在盖玻片上，然后在显微镜下利用一对超短激光脉冲对样本展开检测。
其中，波长为1040纳米、小于100飞秒（fs）的非共振泵浦脉冲用于激发单个病毒颗粒的集体振动，而波长为785纳米、同样小于100fs的第二个延时探测脉冲则负责检测由相干振动引发的光散射变化。
此外，研究人员通过平衡检测和异步光学采样，从大量背向散射光背景中成功分离出微弱信号，这种方法能够在亚毫秒内快速扫描脉冲间延迟至激光脉冲周期，有效降低激光和环境噪声的干扰。
埃拉德・哈雷尔（EladHarel）教授表示：“为了让病毒‘发声’，我们利用短脉冲光在系统中产生相干运动，随后使用第二个光脉冲在不同时刻探测该运动。通过将所有按时间顺序排列的快照串联起来，我们能够制作出捕捉物体振动运动的分子电影。”
研究小组观察到，单个病毒中存在持续数纳秒的长寿命相干振荡。这些相干信号所产生的声谱，对病毒形态及其糖蛋白与环境之间的相互作用极为敏感，从而为研究人员提供了其他单粒子方法难以获取的病毒力学见解。而且，该技术的时间分辨率足以对单个病毒颗粒的整个生命周期进行检查，而这一周期通常发生在秒到小时的时间尺度上。
研究员张亚青形象地描述道：“通过实验观察这些微小病毒颗粒的纳米级运动非常有趣，它们实际上是在激光照射下‘呼吸’。”
研究团队以亚千兆赫兹的分辨率，测量了病毒中2至50GHz范围内的声谱。要知道，可见光的频率高达数百太赫兹，相比之下，这对于光学跃迁而言是一个极低的频率。哈雷尔教授指出：“这些能量比我们通常认知的光谱能量低数千到数百万倍。”
利用这种新的光谱方法，研究人员甚至能够聆听病毒破裂的声音。哈雷尔形象地比喻：“随着病毒开始破裂和变弱，它的声学特性开始发生变化，变得更低，几乎就像一个放气的气球。”
该团队的目标之一是开发一种光谱方法，期望能够达到电子显微镜对生物系统的分辨率。
哈雷尔教授介绍：“电子显微镜，或EM，本身功能十分强大，但实际上它只是拍摄生命的瞬间状态，而且是在与生物体实际生存环境截然不同的条件下进行。EM是在真空中操作，而低温电子显微镜则是在极低温度下运行，这些环境都无法维持生命。”
此外，团队还希望BioSonic方法能够作为一种强大的成像探针，并且无需进行标记。哈雷尔表示：“我们的目标之一是展示这种新方法可以利用病毒或分子的天然标记，即其自身材料的‘声音’，将其与系统中的其他所有物质区分开来。”
研究人员的下一步计划，是展示BioSonic光谱可用于动态跟踪病毒的移动方式。
哈雷尔提到：“如果我们现在想观察病毒进入细胞的过程，无论是通过电子显微镜，还是利用复杂的荧光标记，这个过程都非常具有挑战性且缓慢。”
而BioSonic光谱技术所具备的灵敏度、高分辨率和速度，有望提升我们对单个微生物水平的生物动力学的理解，助力早期诊断。
张亚青满怀信心地说：“我相信这项技术可以广泛应用于数百万种病毒和其他生物样本，并从中获取更多宝贵的信息。我们对它们的了解越多，就越能为下一次大流行做好准备。”
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