具有時空分辨的光控成像技術在生命科學研究中發揮了巨大的作用。受激拉曼散射（SRS）顯微鏡作為一種振動成像技術，憑借其豐富的分子資訊、化學鍵标記和多通道成像等優勢，近年取得了蓬勃的發展。然而多通道可逆光控SRS成像仍未實作
近日，清華大學化學系胡昉昊課題組開發了可逆光開關多通道SRS成像技術，通過耦合不對稱二芳基乙烯（DAE）與多炔碳彩虹（Carbow），獲得了一系列具有優異性質的光開關拉曼分子，其在可見光照射下發生顯著振動頻率變化和信号增強，被用于活細胞内高時空選擇性多通道成像，為研究複雜生命過程和亞細胞互相作用提供新方法。
圖1. 不對稱DAE-多炔結構（a）及其優異光開關性質：紫外-可見吸收光譜（b）；光開關轉化率（c）；光開關抗疲勞穩定性（d）；SRS頻率變化（e）；SRS信号增強（f）。
通過引入不對稱雜環，DAE-多炔分子能夠在全可見光照射下發生可逆環化反應，閉環最大吸收波長紅移至近紅外區域 （圖1）。而且不對稱DAE-多炔化合物表現出高效的光開關轉化率（高達90%）和優異的抗疲勞穩定性，在光照數十個循環後具有穩定的信号。同時不對稱DAE-多炔在開環和閉環狀态呈現不同的拉曼散射頻率，頻率變化高達24 cm-1，這為可逆光開關SRS檢測奠定基礎。最後，由于閉環狀态的DAE-多炔具有近紅外吸收，可産生電子預共振效應，其SRS信号強度比開環狀态有顯著提升。
圖2. Carbow-switch分子結構和16通道光開關拉曼頻率
基于不對稱DAE-多炔的優異光開關性質，作者通過改變DAE-多炔的封端取代基、三鍵數目和同位素标記等手段精确調節其拉曼頻率，獲得一系列具有16個不同開關振動頻率的可逆光控探針，将其命名為“Carbow-switch”（圖2）。Carbow-switch在可見光照下均産生顯著頻率變化和信号增強，展示出其在多通道、高特異性光開關SRS成像上的潛力。
圖3. 活細胞多通道光控SRS成像研究氧化應激和蛋白質相分離中的亞細胞互作。
作者進一步探索Carbow-switch的活細胞成像，實作了不同細胞器靶向（包括線粒體、溶酶體和細胞膜）的多通道光控SRS成像。Carbow-switch在活細胞中保持了優異的生物相容性和光開關性能。最後，作者還實作活細胞中高時空選擇性的光控多通道SRS成像。通過Carbow-switch标記特定細胞器并利用時序SRS成像，作者追蹤了活細胞在氧化應激條件下的線粒體聚集、相鄰細胞間的溶酶體遷移和細胞内蛋白質相分離過程中溶酶體互作等動态過程（圖3）。高時空選擇性的光控多通道SRS成像技術為研究多組分細胞過程提供了新的手段。
該研究發展了多通道可逆光開關SRS成像技術，巧妙地将多炔碳彩虹與不對稱二芳基乙烯結構耦合，通過協同調節分子吸收光譜和振動光譜，獲得位于細胞靜默區間的16個光控拉曼頻率Carbow-switch，通過細胞器靶向實作了活細胞内高時空選擇的可逆光開關多通道SRS成像，并選擇性追蹤細胞器在氧化應激、細胞間運輸和蛋白質相分離過程中的互相作用。這一技術的開發為研究複雜細胞環境中具有時空分辨的動态過程和亞細胞互作提供了有力的工具。
該研究成果近期發表在Nature Communications上，論文第一作者為博士研究所學生楊月利，博士研究所學生白雪楊為該工作做出重要貢獻，通訊作者為胡昉昊副教授。
論文資訊：
Photoswitchable polyynes for multiplexed stimulated Raman scattering microscopy with reversible light control
Yueli Yang, Xueyang Bai and Fanghao Hu
Nat. Commun., 2024, 15, 2758. DOI: 10.1038/s41467-024-46904-6