近日，我院辛洪宝教授与哈佛大学教授Luke P. Lee合作，借助等离激元光学纳米天线揭示了细菌酶分子释放及释放过程中的周期振荡特性，相关研究成果以“Dynamic monitoring of oscillatory enzyme activity of individual live bacteria via nanoplasmonic optical antennas”为题发表在光学领域国际顶级学术期刊《Nature Photonics》（论文链接）。论文第一作者为鲁登云博士研究生，通讯作者为李宝军教授、辛洪宝教授、哈佛大学Luke P. Lee教授。
细菌是诸多感染性疾病的病原体，细菌通过外膜囊泡进行细菌个体之间及细菌与宿主细胞之间的通讯。酶分子作为细菌外膜囊泡释放的重要信号分子，在细菌感染及抗生素分解过程中扮演着重要角色。为了破解细菌感染的本质及细菌耐药性的原因，人们盼望能搞清楚细菌外膜囊泡释放酶分子的规律。然而，由于外膜囊泡携带的酶分子含量低，且缺乏长时间高精度实时监测酶分子的方法，人们一直无法观察到细菌外膜囊泡酶分子的释放过程，也无法知道酶分子是如何调控细胞通讯的，致使其成为长期悬而未决的难题。
为了攻克这一难题，我院辛洪宝教授与哈佛大学教授Luke P. Lee合作，提出用等离激元光学纳米天线研究细菌酶分子行为的构想。他们将具有共振波长匹配的金纳米棒（长度约77 nm，直径约38 nm）与BHQ分子（黑洞淬灭分子）通过静电作用连接在一起，构建出等离激元光学纳米天线。由于BHQ分子的强吸收峰与金纳米棒的等离激元共振峰重叠，因而，BHQ分子会通过共振调控减小金纳米棒的散射截面，从而降低金纳米棒的散射强度（也就是金纳米棒的散射强度被BHQ分子的吸收峰有效抑制）。具体来说，当BHQ分子遇到细菌外膜囊泡释放的偶氮还原酶分子时，BHQ分子的偶氮双键会被偶氮还原酶分子切断，使得BHQ分子不再具有强吸收峰，此时，被抑制的金纳米棒的散射强度得到恢复，从而得知有偶氮还原酶分子出现。等离激元光学纳米天线再将探测到的偶氮还原酶分子信号以光信号形式发射出去，完成了细菌酶分子释放规律的实验探测。
实验中，他们将所构建的等离激元光学纳米天线放置于细菌生存环境中，根据等离激元光学纳米天线散射光谱强度的变化，分别对单个大肠杆菌和金黄色葡萄球菌外膜囊泡释放的偶氮还原酶分子进行了持续实时探测，发现了细菌外膜囊泡释放酶分子的规律及其释放过程中的周期振荡特性，揭示了相邻细菌之间由酶分子振荡耦合产生的调控及通讯机理。实验表明，这种等离激元光学纳米天线的探测时间长（长达数小时至数十小时）、探测灵敏度高（单分子级别）、稳定性好（无光漂白），为深入研究细菌与宿主细胞之间的通讯以及与细菌感染相关重大疾病的传播机制提供新方法，也为研究超级细菌耐药性问题提供了新思路。
