密歇根州立大学（MSU）的一项新研究利用光来揭示病毒的独特振动，为生物成像和抗病毒研究打开了新的大门。

在超快光谱学的前沿工作 —— 利用短激光脉冲分析分子动力学 —— 密歇根州立大学的副教授试图揭示微观现象如何影响大型复杂系统。

埃拉德·哈雷尔（Elad Harel）一直致力于的一个有前途的前沿领域是开发新的显微镜方法，使研究人员能够观察运动中的分子和原子景观，而不是通过静态图像。这项工作为Harel MSU赢得了2023年的年度创新奖，也是MSU首次获得W.M.Keck基金会的资助。

现在，在《美国国家科学院院刊》上发表的一篇新文章中，哈雷尔和他的斯巴达合作者报告说，他们利用光来观察和研究病毒的“声音” ——  这是一项听觉上的突破，让人们得以一窥难以捉摸的实时生物学。

哈雷尔的实验室与密歇根州立大学微生物学、遗传学和免疫学系（MGI）教授Dohun Pyeon密切合作，后者在提供病毒靶标方面提供了他的团队的专业知识。

哈雷尔实验室博士后研究员、该研究的第一作者张亚庆（音译）说：“在这个具有挑战性和令人兴奋的项目中，团队合作真的很重要，通过实验观察这些微小病毒颗粒的纳米级运动是很有趣的 —— 它们实际上在激光照射下‘呼吸’。”

“我相信，这项技术可以广泛用于数以百万计的病毒和其他生物样本，并将从中获得更多宝贵的信息。我们对它们了解得越多，就越能更好地为下一次大流行做好准备。”

实际上，没有多少人会把“病毒”、“光”和“听”这三个词连在一起。但这背后又存在着怎样的基础科学呢？

每种类型的系统都有一个固有的振动频率，无论是恒星还是像病毒这样的生物实体。你可以把它想象成材料发出的声音，所有的原子一起振动，就像由复杂的弹簧网络连接起来的球一样。

原子的排列和它们之间的相互作用就是为什么当我敲桌子的时候，发出的声音和敲墙的声音不一样。当然，声音可以更复杂，包含重要的信息：如果你听到房间里有一个熟悉的声音，你可以立即识别出是谁发出的。因此，声音是一种强有力的识别手段。

研究人员多年来一直在研究金属纳米颗粒的超声波振动，但我们想问的问题是，“生物系统在受到某种力时是否也会产生声音？”

为了发出声音，科学家使用短脉冲光，在系统中产生相干运动。 然后他们使用第二个光脉冲来探测不同时刻的运动。把所有的快照串在一起，科学家就能制作出一个分子电影，捕捉到物体的振动运动。

这是一个很遥远的想法，没有任何先例，研究人员发现病毒确实有一种独特的声音，这为思考生物学开辟了一种全新的方式。

无论是病毒、蛋白质、细菌还是细胞核，每一个都有我们可以检测到的独特特征。

为什么与其他分析方法相比，“倾听”生物系统似乎是一种有效的方法？

研究人员试图解决生物学中的一个基本问题，这也是凯克基金会资助的重点 —— 获得电子显微镜的分辨率，但适用于生命系统。

电子显微镜（EM）本身非常强大，但你实际上是在拍摄生命的快照，而且你是在一个与在活生物体中发现的环境截然不同的环境中进行的。EM是在真空中进行的，而冷冻EM是在生命无法维持的极低温度下进行的。凯克基金会拨款的目标是开发显微镜方法，可以在生物活动的炎热潮湿环境中可视化和跟踪生物。

研究人员花了几年时间开发越来越灵敏的技术来测量声学振动，特别是在单粒子水平上。这是与MGI的Pyeon实验室合作的，它帮助研究人员获得了不同的病毒。

更大的问题是，如何在不需要标记的情况下，将这种声学方法用作强大的成像探针。在这个过程中，一个标记物附着在一个分子上，使研究人员能够跟踪和研究它的行为和相互作用。虽然非常有用和具体，标签过程可能是缓慢和密集的。

研究团队的目标之一是展示这种新方法可以利用病毒或分子的自然标记 —— 基本上，它自己的材料的声音，将它与系统中的其他东西区分开来。

那么，这些病毒最终听起来像什么呢？它们会改变声调吗？

结果发现振动发生在千兆赫区域。从光学跃迁的角度来看，这是一个非常非常低的频率。例如，可见光的能量是几百太赫兹，所以它的能量比我们通常认为的光谱学的能量低几千到几百万倍。

在这篇论文中，研究团队展示了我们可以追踪单个病毒，甚至可以监听病毒破裂。随着病毒开始破裂和减弱，它的声音开始发生变化，变得更低 ——  几乎就像一个正在泄气的气球。

这些发现的未来会是什么样子呢？

研究团队接下来要做的是展示我们实际上可以动态跟踪病毒是如何移动的。如果我们现在想观察病毒进入细胞，通过电子显微镜或使用复杂的荧光标记，这个过程非常非常具有挑战性和缓慢。

例如，我们获得了国防威胁减少局的拨款，该机构对生物和化学检测感兴趣。他们做的一件事是开发药物，或抗病毒药物，以对抗病毒感染。

研究团队的想法是：我们能否利用这种技术加速病毒的开发过程 —— 因为我们有可能从头到尾观察病毒的生命周期，并更好地了解抗病毒药物或药物在破坏这一过程中的影响。

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