《Nature Communications》：Stabilized real-time Brillouin microscopy reveals fractal organization of protein condensates in living cells
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本研究针对蛋白凝聚体力学特性检测的技术瓶颈，开发了集成电光调制器的稳定型布里ouin（Brillouin）显微镜，实现了多日自动化的高精度力学测量。通过布里渊频移与FRAP（荧光漂白恢复）的联合分析，首次发现细胞内蛋白凝聚体具有分形结构特征，为区分生理性与病理性凝聚体提供了新范式。
在活细胞中，蛋白质分子能够通过液-液相分离形成动态的凝聚体（condensates），这些结构在细胞区室化、信号传导等生理过程中扮演关键角色。近年研究发现，诸如肌萎缩侧索硬化症、阿尔茨海默病等神经退行性疾病中，蛋白凝聚体的力学性质会发生异常变化，但受限于技术手段，对其在活细胞环境中的实时力学表征始终面临挑战。传统布里渊显微镜虽能通过检测声子散射产生的频移反映材料力学特性，却因仪器稳定性差需频繁人工校准，难以进行长期自动化观测。
为突破这一局限，研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，构建了一种集成电光调制器（electro-optic modulator）的稳定型实时布里渊显微镜。该设备创新性地将电光调制器同时用作频率参考、光谱仪校准器和时间稳定器，实现了超过数日的全自动稳定测量，无需依赖标准样品反复校正。利用这一系统，作者对活细胞内多种蛋白凝聚体进行了布里渊频移（Brillouin shift）定量检测，并通过荧光漂白恢复（FRAP）实验验证了凝聚体的流动性。两种技术数据的相关性揭示出凝聚体内部具有分形（fractal）组织架构，这一发现为理解多种蛋白质共同形成的细胞区室力学行为提供了新视角。
关键技术方法包括：1）搭建集成电光调制器的显微镜系统，实现光谱自动校准与长期稳定；2）对活细胞中蛋白凝聚体进行布里渊散射信号采集与频移分析；3）结合FRAP技术验证凝聚体动态特性；4）通过分形维数计算揭示凝聚体内部结构特征。
布里渊显微镜稳定性提升
通过电光调制器的多功能集成，系统在连续运行中保持光谱稳定性，频移误差低于±10 MHz，显著优于传统设备需每小时校准的局限。
活细胞蛋白凝聚体力学表征
测量显示不同蛋白凝聚体（如FUS、TDP-43）的布里渊频移存在差异，频移值与凝聚体硬度正相关，证实其力学特性可通过无标记光学手段定量。
分形结构与流动性关联
FRAP数据显示蛋白恢复速率与布里渊频移呈负相关，表明硬度较高的凝聚体具有更慢的物质交换速度，且其内部结构符合分形几何模型。
病理凝聚体鉴别潜力
通过对比生理性与病理突变蛋白凝聚体，发现病理性凝聚体频移值更高、分形维数更低，提示力学特性异常可作为疾病生物标志物。
本研究通过创新性的仪器设计解决了活细胞力学测量中的稳定性难题，首次揭示蛋白凝聚体的分形结构特性，建立了力学特性与动态行为的直接关联。该技术框架为神经退行性疾病中病理性凝聚体的早期识别提供了新思路，推动力学生物学在亚细胞结构研究中的深入应用。
