一种用于通过细菌生物膜仿制物进行定量单分子追踪的自下而上平台

慢性感染之所以能够持续存在，很大程度上归因于生物被膜为其细菌产生者提供的保护。生物被膜的胞外聚合物物质是一种水合基质，由DNA、多糖和结构蛋白等成分构成；营养物质、信号分子和抗菌剂必须通过该基质扩散，才能到达内部的细菌。由于光学异质性、自发荧光、生物被膜的主动重塑，以及单粒子追踪（SPT）过程中轨迹重建的不确定性，在体内生物被膜中对纳米尺度传输进行定量测量仍然具有挑战性。 在此，我们提出了一种方法学框架，用于在界定明确的最小胞外基质模型中测量分子传输；该方法采用量子点作为荧光纳米探针，并通过高速SlimVar显微镜进行成像。为确定能够可靠重建高扩散率粒子轨迹的条件，我们基于布朗运动估算了量子点浓度的上限。根据三维布朗跳跃距离分布估算了帧间跳跃距离的第99百分位数，并据此定义目标平均最近邻距离，进而确定每个粒子对应的体积，用于计算一种浓度，以在数据采集过程中最大限度降低轨迹碰撞的概率。我们以亚毫秒帧率对量子点运动进行了成像，并在20%甘油对照组以及用于模拟最小胞外基质支架、分别在250 M和500 M条件下组装的DNA纳米星水凝胶中计算了扩散系数。扩散系数中位数从甘油中的94.9 m2*s-1下降至250 M和500 M水凝胶中的15.9 m2*s-1和8.3 m2*s-1。 更广泛而言，本研究建立了一套适用于最小生物被膜模型中定量SPT的工作流程。该方法并非试图复现天然生物被膜全部的生物学复杂性，而是为一种模块化实验框架奠定基础，在该框架中，可依次引入各个胞外基质组分，并定量评估其对分子传输的影响。

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一种用于穿越细菌生物膜模拟体系的定量单分子追踪的自下而上平台

Jack W Shepherd Jamieson Anthony Leyland Howard

doi： https://doi.org/10.64898/2026.07.02.736016

Jack W Shepherd 约克大学 在 Google Scholar 上查找该作者 在 PubMed 上查找该作者 在持有人为作者/资助方，其已授予 bioRxiv 永久展示该预印本的许可。 本文依据 CC-BY 4.0 国际许可协议公开发布。

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发布于 2026 年 7 月 4 日。

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📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.02.736016v1?rss=1

🏷️ 细菌生物膜 单分子追踪 量子点成像 分子扩散 DNA水凝胶