科學家如何用光「聽」到病毒的聲音？

密西根州立大學（MSU）的最新研究利用光來揭示病毒的獨特振動，為生物成像和抗病毒研究開啟了新的大門。Elad Harel教授長期以來致力於探索自然界的奧秘，他專注於超快光譜學的前沿研究，利用短脈衝雷射分析分子動力學，試圖揭示微觀現象如何影響複雜的巨觀系統。

Harel教授的研究重點之一是開發新的顯微技術，讓科學家能夠觀察分子和原子在動態中的行為，而非僅限於靜態影像。這項突破性研究不僅為他贏得了MSU 2023年度創新獎，更獲得了W.M. Keck基金會的首筆資助。最近，他在《美國國家科學院院刊》上發表了一篇論文，報告瞭如何利用光來觀察和研究病毒的聲音，這項聽覺突破讓我們得以一窺生物學中難以捉摸的即時動態。

Harel的實驗室與MSU微生物學、遺傳學和免疫學系（MGI）的Dohun Pyeon教授密切合作，Pyeon教授的團隊提供了病毒樣本。研究團隊成員、博士後研究員Yaqing Zhang表示：「在這個充滿挑戰與興奮的專案中，團隊合作至關重要。我們實驗性地觀察到這些微小病毒粒子在奈米尺度上的運動，它們在雷射照射下竟然像是在『呼吸』。我相信這項技術可以廣泛應用於數百萬種病毒和其他生物樣本，並從中獲取更多寶貴資訊。我們對病毒瞭解得越多，就越能為下一次大流行做好準備。」

Harel將這項技術稱為「生物聲學光譜學」，並解釋道：「每種系統都有其自然的振動頻率，無論是恆星還是病毒這樣的生物實體。你可以把它想像成材料的聲音，所有原子就像被複雜彈簧網路連線的球體一樣一起振動。原子的排列和相互作用決定了當我敲擊桌子時，聲音會與敲擊牆壁時不同。當然，聲音可以更加複雜並包含重要資訊：如果你在房間另一頭聽到熟悉的聲音，你立刻就能辨認出是誰。因此，聲音是一種強大的識別手段。」

研究團隊利用短脈衝光來激發系統中的相干運動，並用第二道光脈衝在不同時間點探測這種運動。透過將所有時間點的快照串聯起來，他們可以製作出一部捕捉物體振動運動的「分子電影」。Harel表示：「這是一個相當前衛的想法，之前並沒有任何先例。我們發現病毒確實有獨特的聲音，這為生物學開闢了一種全新的思考方式。無論是病毒、蛋白質、細菌還是細胞核，每一種都會有我們可以檢測到的獨特特徵。」

這項研究的目標是解決生物學中的一個基本問題，這也是Keck基金會資助的重點——獲得電子顯微鏡（EM）的解析度，但用於活體系統。Harel解釋道：「電子顯微鏡本身非常強大，但實際上你只是在拍攝生命的快照，而且是在與活體生物截然不同的環境中進行的。EM需要在真空中進行，而冷凍電鏡則在極低溫度下操作，這些條件下生命無法維持。Keck資助的目標是開發能夠在生物運作的熱濕環境中視覺化和追蹤生物學的顯微技術。」

研究團隊花了數年時間開發越來越敏感的技術，能夠測量聲學振動，特別是在單粒子層面。這項研究與MGI的Pyeon實驗室合作，讓他們能夠接觸到不同的病毒。Harel表示：「更大的願景是思考如何將這種聲學方法用作強大的成像探針，而無需標記。標記過程雖然非常有用且具有針對性，但往往耗時且繁瑣。我們的目標之一是展示這種新方法可以利用病毒或分子的自然標記——也就是其材料的聲音，來區別於系統中的其他物質。」

研究發現，振動發生在千兆赫茲區域，這對於光學轉換來說是非常低的頻率。例如，可見光在數百太赫茲範圍內，因此這些振動的能量比我們通常認為的光譜學能量低數千到數百萬倍。在這篇論文中，研究團隊展示了他們能夠追蹤單個病毒，甚至能「聽」到病毒破裂的聲音。當病毒開始破裂和變弱時，其聲學特性開始改變，聲音變低——幾乎像一個洩氣的氣球。

Harel表示：「我們接下來想做的是展示我們能夠動態追蹤病毒的運動。如果我們現在想觀察病毒進入細胞的過程，使用電子顯微鏡或複雜的螢游標記技術會非常具有挑戰性且緩慢。例如，我們與國防威脅降低局（DTRA）有一項資助，他們對生物和化學檢測感興趣。他們的工作之一是開發對抗病毒感染的藥物或抗病毒藥物。我們的想法是：能否利用這種技術加速開發過程——因為我們可以從頭到尾觀察病毒的生命週期，並更好地瞭解抗病毒藥物或藥物在破壞這一過程中的影響。」