暨南大學納米光子學研究院教授李寶軍、辛洪寶與哈佛大學教授Luke P. Lee合作，借助等離激元光學納米天線揭示了細菌酶分子釋放及釋放過程中的周期振蕩特性。
相關研究成果以“Dynamic monitoring of oscillatory enzyme activity of individual live bacteria via nanoplasmonic optical antennas”為題發表在期刊Nature Photonics。論文第一作者為暨南大學納米光子學研究院魯登云博士研究生，通訊作者為暨南大學李寶軍教授、辛洪寶教授、哈佛大學Luke P. Lee教授。
細菌是諸多感染性疾病的病原體，細菌通過外膜囊泡進行細菌個體之間及細菌與宿主細胞之間的通訊。酶分子作為細菌外膜囊泡釋放的重要信號分子，在細菌感染及抗生素分解過程中扮演著重要角色。為了破解細菌感染的本質及細菌耐藥性的原因，人們盼望能搞清楚
細菌外膜囊泡釋放酶分子的規律
。然而，由于外膜囊泡攜帶的酶分子含量低，且缺乏長時間高精度實時監測酶分子的方法，人們
一直無法觀察到
細菌外膜囊泡酶分子的釋放
過程，也無法知道酶分子是如何調控細胞通訊的，致使其成為長期懸而未決的難題。
為了攻克這一難題，暨南大學納米光子學研究院教授李寶軍、辛洪寶與哈佛大學教授Luke P. Lee合作，提出用等離激元光學
納米天線
研究細菌酶分子行為的構想。他們將具有共振波長匹配的金納米棒（長度約77 nm，直徑約38 nm）與BHQ分子（黑洞淬滅分子）通過靜電作用連接在一起，構建出
等離激元光學納米天線
。由于BHQ分子的強吸收峰與金納米棒的
等離激元共振峰
重疊，因而，BHQ分子會通過共振調控減小金納米棒的散射截面，從而降低金納米棒的散射強度（
也就是金納米棒
的散射強度被BHQ分子的吸收峰有效抑制）。具體來說，當BHQ分子遇到細菌外膜囊泡釋放的
偶氮還原
酶分子時，BHQ分子的
偶氮雙鍵
會被偶氮還原酶分子切斷，使得BHQ分子不再具有強吸收峰，此時，被抑制的金納米棒的散射強度得到恢復，從而得知有偶氮還原酶分子出現。等離激元光學納米天線再將探測到的偶氮還原酶分子信號以光信號形式發射出去，完成了細菌酶分子釋放規律的實驗探測。
圖1：(a) 等離激元光學納米天線探測細菌酶分子振蕩的示意圖。(b) 具有不同共振峰的等離激元光學納米天線探測細菌酶分子的暗場圖。(c) 細菌外膜囊泡示意圖。(d) 細菌通訊過程中酶分子振蕩和振蕩耦合示意圖。(e) 等離激元光學納米天線對外膜囊泡釋放的酶分子進行光學探測的機制。
實驗中，他們將所構建的等離激元光學納米天線放置于細菌生存環境中，根據等離激元光學納米天線散射光譜強度的變化，分別對單個大腸桿菌和金黃色葡萄球菌外膜囊泡釋放的偶氮還原酶分子進行了持續實時探測。外膜囊泡釋放到周圍環境后，周圍滲透壓的改變和等離激元光學納米天線的局域光熱效應會促進外膜囊泡的破裂，使得酶分子釋放而被等離激元光學納米天線探測到。實驗表明，這種等離激元光學納米天線的探測時間長（長達數小時至數十小時）、探測靈敏度高（單分子級別）、穩定性好（無光漂白）、具有遠距離探測能力（距離細菌表面達到
3 μm
）。
圖2：(a) 等離激元光學納米天線實現單細菌遠距離酶分子探測示意圖。(b) 等離激元局部光熱效應促進OMVs釋放酶分子實現探測的示意圖。(c)和(d)分別為納米天線對單個革蘭氏陰性大腸桿菌和革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌遠距離酶分子探測的暗場圖。(e)酶分子長時間連續探測結果。(f)酶分子長距離探測結果。(g)不同尺寸細菌的長距離探測極限。
基于等離激元光學納米天線酶分子探測的能力，進一步，實現了對處于不同生命階段的單個細菌酶分子的探測。首次發現了
細菌外膜囊泡釋放酶分子的規律及其釋放過程中的周期振蕩特性
。對于處于不同生命階段的細菌，細菌具有不同的新陳代謝效率，它們在適應外界環境的過程中與周圍環境的信號傳導也不同，導致它們的酶分子釋放過程具有不同的周期震蕩特性。這種周期震蕩的酶分子釋放特性只存在于活細菌中，對于處于凋亡階段的細菌，并不存在這種規律。
圖3：(a)-(d)分別為大腸桿菌處于遲緩期、對數期、穩定期、衰亡期細菌酶分子探測的暗場圖片，(e)不同時期酶分子釋放的振蕩曲線。(f)凋亡過程中細菌酶分子釋放的特性。(g)-(j)活細菌和凋亡細菌不同生命階段酶分子震蕩特性的參數表證。
除了單個細菌酶分子的周期振蕩特性，這種等離激元光學納米天線還能揭示細菌處于通訊過程中酶分子的調控機制。研究表明，相鄰細菌在通訊過程中，酶分子的釋放會相互耦合。對于處于不同時期的細菌，例如，穩定期-穩定期、遲緩期-穩定期、遲緩期-衰亡期，它們 的耦合過程存在很大的差別。此外，跨物種的細菌在通訊過程中酶分子也會相互耦合，例如穩定期的大腸桿菌和穩定期的金黃色葡萄球菌。與單個細菌相比，對于處于通訊過程的細菌，由于對外界環境刺激的適應與反饋不同，酶分子振蕩耦合后，它們的酶分子釋放呈現出新的振蕩規律，這種耦合與細菌之間的距離有較大的依賴。此外，這種酶分子振蕩耦合會進一步調控相鄰細菌的通訊過程。
圖4：(a)-(c)分別為大腸桿菌處于穩定期—穩定期、遲緩期—穩定期、遲緩期—衰亡期通訊過程中酶分子振蕩耦合的實時探測，(d)穩定期大腸桿菌和穩定期金黃色葡萄球菌通訊時酶振蕩耦合的實時探測。(e) 單細菌通訊中實時酶分子振蕩的耦合信號。(f)細菌處于不同耦合距離時，通訊過程的酶分子釋放特性。(g)和(h)通訊過程中細菌耦合的周期特性。
這種基于等離激元光學納米天線的酶分子周期振蕩特性的觀測將為深入研究細菌跨物種通訊、細菌與宿主細胞之間的通訊以及與細菌感染相關重大疾病的傳播機制提供了新方法，也為研究超級細菌耐藥性問題提供了新思路，還將為揭示生物系統中其他酶分子等生物分子的生物振蕩提供了新見解。
辛洪寶，暨南大學納米光子學研究院教授、副院長、博士生導師。本科和博士畢業于中山大學，之后在新加坡國立大學和加州大學伯克利分校進行博士后研究，于2018年7月加入暨南大學納米光子學研究院。長期從事生物光子學和微納光子學的研究，主要研究興趣包括光鑷與光學操控、光控生物微馬達與微納機器人、納米等離激元與生物分子探測等。任APL Photonics、中國激光等期刊青年編委。以第一/通訊作者在Nature Photonics、Nature Reviews Materials、Light: Science & Applications、Nature Communications等發表論文30余篇。課題組長期招聘博士后和青年教師。
Lu, D., Zhu, G., Li, X. et al. Dynamic monitoring of oscillatory enzyme activity of individual live bacteria via nanoplasmonic optical antennas. Nat. Photon. (2023).
文章來源：中國光學
