西安交大赵永席教授团队在细胞膜流动分析领域取得重要进展

细胞膜流动性是生命活动的核心物理表征之一，然而，如何对活细胞膜快速动态的运动过程进行连续的追踪与记录，一直是生物物理领域的重大难题。传统荧光技术（如荧光关联光谱、荧光漂白恢复、单分子追踪等）虽能提供信息，但通常设备昂贵、观测区域有限，只能“抓拍”瞬时状态，难以像“录像机”一样持续累积信号，更无法为每个动态事件赋予可追溯的唯一数字身份。

近日，西安交通大学赵永席、陈锋教授团队构建了一种名为生物物理转DNA催化累积双记录仪（Biophysical-to-DNA Catalytic Cumulative Birecorder，BioDIMER），该方法将动态DNA纳米技术与独特分子标识符（UMI）测序相结合，成功实现了对活细胞膜流动性连续事件的双模态、累积式记录：既能通过荧光成像进行时空可视化，又能借助DNA测序进行数字化绝对定量。BioDIMER系统实现了对细胞膜流动性的“写入及锁定”式记录。其核心是一对膜锚定DNAzyme探针，一旦因膜流动而相遇，便催化切割反应，同步产生原位荧光信号与携带唯一UMI的DNA片段。前者形成动态荧光图像，后者则实现事件的数字化定量。由此，新事件的加入不会覆盖原有记录，确保了膜流动历史的完整性与连续性。基于这一技术，他们系统解析了不同细胞类型与状态下膜流动性的差异与规律，包括细胞周期（G1、S、G2期）的时序性变化、心脏肥大模型中膜流动性的显著增强、肌管分化过程中流动性的下降，以及细胞衰老导致的膜流动性降低。此外，研究人员展望了该方法在拓展至其他膜性结构动态监测中的应用前景，如细胞器膜（内质网、线粒体）和细胞外囊泡（EVs）；同时，讨论了该技术与多轮组合编码成像、流式细胞以及单细胞测序整合的可行性。这一创新技术为在单细胞水平连续解析细胞膜动态、揭示其与细胞周期、疾病状态及发育过程的关系提供了强有力的工具，在细胞生物学、心肌肥大、衰老研究等领域具有重要的应用潜力。

 BioDIMER的架构设计

(a) 具备双模态记录功能的动态DNAzyme催化累积切割反应  (b) BioDIMER在活细胞膜上的工作流程 

(c) 基于测序的膜流动性数字化定量：含UMI产物的文库构建流程   (d) 自适应UMI提取算法 

该研究工作以《生物物理转DNA催化累积的分子双记录系统实现细胞膜连续流动的测量分析》（Biophysical-to-DNA Catalytic Cumulative Birecorder for Measuring Continuous Membrane Fluidity）为题发表在国际化学领域权威期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。西安交通大学生命学院及生物医学信息工程教育部重点实验室为该论文第一作者单位和通讯作者单位，前沿科学技术研究院为共同通讯单位，赵永席教授和陈锋教授为共同通讯作者，博士研究生叶萌颖为该论文第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、西安交大青年拔尖人才计划等多个项目的共同资助，实验测试得到西安交大分析测试中心的大力支持。

上述工作是该团队在DNA编码单细胞分析领域的又一重要成果，前期建立的系列DNA编码分析方法已发表在《自然-实验手册》（Nature Protocols）、《自然-通讯》（Nature Communications）、《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）、《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）、《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）、《核酸研究》（Nucleic Acids Research）等期刊。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c16545

赵永席教授研究团队主页链接：http://gr.xjtu.edu.cn/web/yxzhao