Новый метод сверхбыстрой визуализации позволяет анализировать тысячи молекул одновременно

Схема установки для FLIM-визуализации одиночных молекул. Автор: Light: Science & Applications (2025). DOI: 10.1038/s41377-025-01901-2

Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) разработали новый метод визуализации с использованием однофотонной камеры, позволяющий быстро и одновременно анализировать тысячи молекул. Результаты исследования опубликованы в журнале Light: Science & Applications.

Новый метод, вдохновлённый 35-летней технологией визуализации, измеряет уникальные световые сигнатуры молекул с точностью до миллиардной доли секунды. Для этого используется камера на основе однофотонных лавинных диодов (SPAD), состоящая из почти миллиона миниатюрных сенсоров, каждый из которых способен зафиксировать отдельный фотон.

Данные анализируются для определения времени флуоресценции молекулы — крошечной задержки между лазерным импульсом и излучённым светом. Это позволяет с высокой точностью характеризовать отдельные молекулы в образце.

Метод был разработан в Лаборатории наномасштабной биологии (LBEN) EPFL совместно с Лабораторией передовых квантовых архитектур (AQUA) с использованием камеры, созданной дочерней компанией EPFL — PI Imaging Technology. Это первый шаг к созданию методов визуализации, позволяющих изучать поведение молекул в крупных образцах.

Быстрый анализ крупных белковых образцов

В отличие от традиционных методов, разработка LBEN фиксирует молекулы сразу после лазерного импульса с пикосекундным разрешением. Камера делает серию снимков: первый — сразу после возбуждения, а второй — через несколько наносекунд. Анализ этих изображений позволяет определить время флуоресценции.

С помощью SPAD-камеры учёные могут получить данные о тысячах молекул менее чем за минуту, тогда как существующие методы требуют часа. «Наш метод немного менее точен, но он быстрее и может одновременно анализировать беспрецедентное количество молекул», — поясняет профессор Александра Раденович из LBEN. Это ускоряет исследование крупных белковых образцов.

Для разработки метода специалисты по детекции одиночных молекул тесно сотрудничали с инженерами по разработке камер. «Например, частота съёмки исходной камеры не соответствовала темпу лазерных импульсов, — говорит учёный LBEN Натан Ронсере. — Но наши коллеги из AQUA и инженеры Pi Imaging быстро адаптировали устройство».

Метод также может быть полезен для изучения расстояний между молекулами с помощью резонансного переноса энергии Фёрстера (FRET). «Измеряя время флуоресценции пары молекул, мы можем определить расстояние между ними с точностью до нанометров», — объясняет Ронсере.

Технология открывает новые возможности в науке, включая пространственную транскриптомику — изучение экспрессии генов с сохранением информации о расположении клеток в тканях. Метод может дополнить современные омиксные инструменты, позволяя комплексно изучать биологические процессы на молекулярном уровне.

Подробнее: Nathan Ronceray et al, Wide-field fluorescence lifetime imaging of single molecules with a gated single-photon camera, Light: Science & Applications (2025). DOI: 10.1038/s41377-025-01901-2

Источник: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne