生物膜，这个由微生物搭建的复杂“城市”，在疾病传播、工业污染、甚至耐药性形成中扮演着重要角色。想象一下，病原体藏匿其中，等待时机脱离“城市”去感染新的宿主或扩散到更广阔的环境。研究这种“群体逃离”——即生物膜的解体和分散过程，对于理解和控制疾病至关重要。
然而，这项研究并非易事。传统的显微镜技术，特别是依赖荧光蛋白来“点亮”细胞的方法，在生物膜内部却常常遭遇“滑铁卢”。为什么？因为生物膜内部通常是一个缺氧的环境，而许多常用的荧光蛋白在缺乏氧气的情况下会失去发光能力，让研究人员难以看清生物膜分散过程中的精微细节。
创新曙光：氧非依赖性FAPs探针登场
好消息是，卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的一个科研团队带来了突破性的解决方案！他们巧妙地利用了一种名为“荧光原激活蛋白（Fluorogen-Activating Proteins, FAPs）”的新型探针，成功绕开了生物膜的“缺氧陷阱”。
一系列显微图像显示了霍乱弧菌随时间的消散情况。
FAPs是卡内基梅隆大学于2008年开发的一项创新技术。与传统的荧光蛋白不同，FAPs自身并不发光，它就像一个“开关”，只有当遇到特定的“荧光原”分子并与之结合时，才会激活荧光原，发出强烈而稳定的荧光。最关键的一点是：这个“开关”开启并发出荧光的过程，完全不依赖于氧气！
这使得FAPs成为了研究生物膜等缺氧环境的理想工具。
高清“直播”：揭秘霍乱弧菌生物膜分散过程
在Drew Bridges教授和项目科学家Robert van de Weerd的带领下，卡内基梅隆大学的研究团队将这种革命性的FAP标记技术应用到了臭名昭著的病原体——霍乱弧菌（Vibrio cholerae）上。他们将FAPs整合到霍乱弧菌的基因组中，然后向细菌菌落中添加了孔雀石绿衍生的荧光原。当这些荧光原与霍乱弧菌表面的FAPs结合后，细胞便发出了明亮的远红外荧光。
选择远红外荧光也是一项高明之举。远红外光位于可见光谱的末端，对活体生物的毒性较低，穿透能力更强，非常适合长时间、高分辨率地观察活体细胞和组织。
借助先进的转盘共聚焦显微镜，研究人员得以以前所未有的分辨率，对霍乱弧菌生物膜的解体和分散过程进行实时、长期的高清“直播”。这让他们看到了许多以前无法观察到的精彩画面和细节。
令人惊讶的发现：分散并非整齐划一
通过FAP高清成像，研究团队获得了多项重要发现：
分散始于边缘：
细胞并非从生物膜内部随意分散，而是主要从生物膜的边缘区域开始“逃离”。
分散的异质性：
分散过程并非整齐划一的“大撤离”。令人惊奇的是，大约有20-25%的细胞在分散阶段完成后仍然“留守”在生物膜中。这些细胞为什么不走？是被困住了，还是出于某种更主动的原因？这成为了新的研究方向。
分散“热点”：
他们还观察到了局部的、动态的分散“热点”区域，这些区域的细胞表现出比周围细胞更剧烈的向外位移。
边缘细胞的“反向运动”：
有趣的是，一些位于生物膜边缘的细胞非但没有向外分散，反而向生物膜的核心区域压缩。
基于这些发现，研究人员提出了一个引人注目的假设：那些留在生物膜中的细胞可能不仅仅是“掉队者”，它们或许是生物膜结构中重要的机械组成部分。当其他细胞开始分散时，失去支撑的生物膜整体结构可能会因此发生坍塌。 这一假设挑战了我们对生物膜力学性质的传统认知。
这些结果强力表明，来自生物膜的异质性细胞分散可能在细菌界是普遍存在的现象。团队计划进一步将这项FAP标记技术应用于其他著名的生物膜形成菌，以验证这一假设的普适性。
应用前景：从病原体追踪到微生物组研究
卡内基梅隆大学开发的这项FAP-荧光原标记方法，其潜力远不止于此。
首先，它将极大地加深我们对病原体如何在感染部位之间传播的理解。能够高清追踪病原体从生物膜中逃逸的全过程，对于开发新的抗感染策略至关重要。
其次，这项技术可应用于微生物学研究的众多领域，尤其是在需要高分辨率成像的场景。例如，FAP荧光对氧气的非依赖性结合远红外荧光原的低毒性和穿透性，使其非常适合在复杂的体内环境中进行成像。研究人员可以利用这项技术详细探究活体动物体内微生物组的精微结构和细胞分布（即微生物组生物地理学），这对于理解肠道健康、免疫反应等具有重要意义。
更令人兴奋的是，研究人员已经开发出了覆盖整个可见光谱的不同FAP-荧光原组合。这意味着，未来我们可以使用不同颜色的荧光同时标记生物体系中的多种组分，例如：
标记感兴趣的特定蛋白质，观察它们在生物膜形成或分散过程中的动态变化。
同时标记多种不同的微生物，研究它们在复杂群落中的相互作用和空间分布。
监测复杂微生物群落中特定基因的表达情况，了解不同环境下基因调控的动态过程。
卡内基梅隆大学利用氧非依赖性FAP探针实现的这项创新技术，如同为微生物世界打开了一扇前所未有的高分辨率“窗户”。它不仅克服了传统方法的局限性，以前所未有的清晰度揭示了生物膜分散的动态过程和复杂性，更展示了在病原体研究、微生物组探究、多组分标记以及基因表达监测等广泛领域的巨大应用潜力。
这项技术的突破，无疑将加速相关领域的科学研究进程，为疾病防治、微生物生态学以及合成生物学等领域带来新的洞察和可能！
2024年6月25-27日
国家会议中心
由中国光学工程学会（CSOE）、国际光学工程学会（SPIE）等单位共同主办的“2025年第六届世界光子大会”将于2025年6月25-27日在北京举办。“2025年第六届世界光子大会”是中国光学工程学会年会，包括“第14届国际应用光学与光子学技术交流大会（AOPC 2025）”和“第十六届中国光电子产业博览会”等活动，预计会议规模近1500人。大会共设有19个专题分会，包括激光技术及应用、红外技术及应用、光电探测与成像技术及应用、光谱技术及应用、太赫兹技术及应用等。组委会力邀300余位国内外著名科学家、学术领军专家出席并做精彩报告。大会开幕式将举办中国光学工程学会颁奖盛典！
会议同期举办“第十六届中国光电子产业博览会”，参展商1000余家，博览会包括红外微光技术与应用、激光与智能制造、光通信&光传感及物联网、光学&精密光学制造、测控技术与仪器、创新科技及实验成果、微纳制造、北京半导体展览会等八大主题。同时聚焦当下最热门的光电应用领域，联动参展企业的核心价值，串联有效应用场景，从产业到终端，促进产业链供应链畅通，不断融合升级，积极推动整个行业创新技术高质量供给，为光电企业高质量发展搭台筑基。
