纳米结构光纤光镊技术实现铜绿假单胞菌高效捕获与运动模式解析

研究人员针对病原菌铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)运动行为研究的操控难题，开发了基于纳米结构光纤(Fresnel lens fibers/TIROFs)的光镊系统，实现了低至3.7 mW激光功率下的高效捕获（100/45 μm非接触距离），并通过均方位移(MSD)和速度自相关方法量化了细菌活力。该研究为单细菌-真核细胞互作研究提供了创新工具，发表于《European Biophysics Journal》。

　　

铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)作为临床常见耐药病原体，其鞭毛驱动的复杂运动模式与感染过程密切相关。传统光学显微镜难以实现活菌非侵入式操控，而高数值孔径物镜的短工作距离限制了对远离界面细菌的研究。更关键的是，现有技术缺乏对细菌运动状态（自由漂浮、奔跑、跑-包-反转RWR）的量化标准，这严重阻碍了病原体-宿主互作机制的解析。

法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学(Université Grenoble Alpes)与法国国家科学研究中心(CNRS)合作团队在《European Biophysics Journal》发表研究，通过三种纳米结构光纤（化学蚀刻光纤尖端、Fresnel透镜光纤和全内反射光纤TIROF）构建双模块光镊系统，在生物安全柜内实现了活菌的高精度操控。该系统采用808 nm激光（最大功率250 mW），结合50倍长工作距离物镜和200-1000 fps高速CMOS摄像，首次实现了铜绿假单胞菌在单光纤配置下的稳定捕获。

关键技术包括：1）双光纤耦合模块实现独立/协同捕获；2）基于Fiji平台的细菌轨迹椭圆拟合算法；3）分数布朗运动(FBM)模型分析均方位移(MSD)；4）小波变换解析30-40 Hz鞭毛摆动频率。实验采用野生型CHA株和鞭毛缺失突变体(CHA ΔfliC)作为对照。

光学捕获结果

• 双光纤尖端形成含10个细菌的链式波导结构，轴向捕获效率达κ_x=0.01 pN/μm（21 mW）
• 单Fresnel透镜光纤在8 mW下实现稳定捕获，横向效率平台出现在κ_y=0.81 pN/μm（>15 mW）
• TIROF展现超高效率（κ_y^T=71.9 pN/μm/W），细菌转移速度达150 μm/s（对应2 pN光学力）

细菌运动分析

• 对724条轨迹的统计显示：浮动菌（v=9.4 μm/s，K<10）与运动菌（v=62 μm/s，K>10）存在明显速度分界
• 速度自相关阈值C₁=0.45和α_c=1.52可有效区分活力状态
• 小波变换揭示RWR模式中鞭毛摆动频率突降（约18→5.5 Hz），与光学捕获时的细菌对齐（β=0°）同步发生

研究证实纳米结构光纤光镊对细菌活力无显著影响——12个逃脱细菌中50%保持运动能力，最高速度达100 μm/s（对应1.4 pN鞭毛推力）。通过建立κ_y^T/κ_x^F=40的效率梯度，该技术为单细菌力学研究提供了新范式。Fresnel透镜光纤的100 μm捕获半径与TIROF的72 pN/μm/W超高效率组合，突破了传统光镊在病原体研究中的功率-距离限制。

这项工作的核心价值在于：1）首次量化了铜绿假单胞菌RWR模式的光学响应特性；2）开发的MSD-自相关双参数活力评估体系可推广至其他微生物；3）模块化设计使系统可适配生物安全三级实验室要求。正如通讯作者Jochen Fick强调的，该方法为研究细菌-上皮细胞跨界相互作用提供了迄今最灵活的光学操控平台。