当前的光学和电子显微镜技术在观察活微生物动态特性方面存在局限性。这些挑战主要源于复杂的样品制备要求，以及分辨率和成像速度的问题。为了应对这一问题，研究团队改进了高速原子力显微镜（HS-AFM）技术，使其能够更有效地获取纳米级的物理和机械数据，并将其适应于活体样本。他们开发了一种新的方法，称为高速在线力映射（HS-iFM），成功应用于分析分裂的*大肠杆菌*细胞的机械特性和特征，达到了高分辨率和高速。
光学显微镜和电子显微镜各自面临一系列挑战。光学显微镜在辨别越来越小的细节方面存在困难，而电子显微镜能够分辨微小结构，但需要大量的样品准备，这会导致活样本的消失。
原子力显微镜（AFM）最初旨在以极高的分辨率评估材料的物理和机械特性。然而，其成像速度，通常需要几分钟每帧，对于捕捉与活生物样本相关的重要数据来说是远远不够的。另一方面，高速原子力显微镜（HS-AFM）提供了更好的速度，但缺乏测量机械特性的能力。考虑到显微镜在研究大分子和微生物方面的潜力，来自国立自然科学研究所（NINS）和名古屋大学的研究人员设计了一种新技术HS-iFM，以适合活生物样本的速度和分辨率获取动态机械力测量。团队成员包括Christian Ganser、Shigetaka Nishiguchi、Feng-Yueh Chan和Takayuki Uchihashi，他们选择从研究较为广泛的细菌*大肠杆菌*开始探索。
研究人员在《科学进展》杂志的1月29日版中分享了他们的发现。
“虽然研究‘静态’样本，如非活细菌，提供了有用的信息，但观察活生物体使我们能够直接跟踪其生命周期的变化，这正是我们技术所能实现的。由于其广泛的研究背景，*大肠杆菌*是一个极好的模型。然而，在*大肠杆菌*中纳米级动态机械变化仍然知之甚少，”NINS探索生命与生物系统研究中心（ExCELLS）助理教授Christian Ganser表示。
在*大肠杆菌*细胞的分裂过程中，研究团队注意到在分裂部位机械刚度有所增加。他们提出这一增加可能源于局部膜张力和细胞壁的增厚。“分裂部位变得明显比周围地区更坚硬，表明为了改变膜和分离细胞所需的显著内部应力，”Ganser补充道。
随着细胞的分裂，膜在两个子细胞之间形成了可见的连接，即桥接，这些桥接会拉伸并最终断裂。这些桥接的形成和断裂平均持续时间为242秒±99秒（均值±标准差），并在七次独立实例中发生。该研究的在线出版物中附有详细记录整个分裂过程的补充视频。
此外，团队在一个正在分裂的*大肠杆菌*细胞中识别出了直径不足100纳米的一个弱点，这导致细胞破裂，造成内部压力丧失和细胞死亡。值得注意的是，破裂的细胞影响了两个子细胞，表明内部分离尚未完全实现。这一发现表明HS-iFM在*大肠杆菌*及类似细菌的细胞分裂过程中定时各步骤的潜力。
HS-iFM使研究人员能够评估高分辨率的地形图和膜的机械特性。在活*大肠杆菌*细胞的分裂过程中，团队观察到了暂时的膜孔，这些膜孔似乎会关闭、重组并在膜上移动。他们提出这些动态孔结构可能与外膜囊泡的形成有关，这些囊泡在细胞分裂和在子细胞之间形成的新细胞壁过程中更频繁地产生。或者，这些孔可能代表外膜蛋白复合物。然而，34.7纳米±11.8纳米（1纳米=1 x 10-9米）的孔径明显大于先前报告的蛋白质复合物的大小，后者约为8纳米。
研究团队认识到HS-iFM技术在探索包括*大肠杆菌*在内的各种生物样本和生物体方面具有显著潜力。“未来，我们计划应用我们的方法研究外部刺激（如抗生素）对活细菌膜的纳米机械特性的动态和局部影响，”Ganser分享道。他们还设想利用HS-iFM探索聚合物的暂时纳米机械特性。理想情况下，该团队旨在提高该技术的速度和分辨率，以便可视化捕捉微小分子的机械特性，包括个别蛋白质。
该研究论文的共同作者包括来自日本冈崎的国立自然科学研究所探索生命与生物系统研究中心的Shigetaka Nishiguchi，名古屋大学物理系的Feng-Yueh Chan，以及来自国立自然科学研究所探索生命与生物系统研究中心和名古屋大学物理系的Takayuki Uchihashi。
本研究得到了日本学术振兴会JSPS KAKENHI资助编号JP23H04874的支持，属于“中观层次材料科学”变革研究领域的资助，以及24K01309和22K18943；来自日本科学技术振兴机构的CREST资助编号JPMJCR21L2；以及通过文部科学省的联合使用/研究系统开发促进项目：研究卓越学院联盟计划（CURE）资助编号JPMXP1323015482。
