“细胞天平”精确度如此精细...

文章作者:bianji3 | 2017-11-24
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通过细胞天平,科学家得以追踪细胞在细胞周期和细胞分裂时的重量变化,以及不同培养基质对细胞重量的影响,甚至能了解细胞被病毒入侵时发生了什么。

            细胞(Cells)是由英国科学家罗伯特·胡克(Robert Hooke,1635~1703)于1665年发现的。当时他用自制的光学显微镜观察软木塞的薄切片,放大后发现一格一格的小空间,就以英文的cell命名之,而这个英文单字的意义本身就有小房间一格一格的用法,所以并非另创的字汇。而这样观察到的细胞早已死亡,仅能看到残存的植物细胞壁,虽然他并非真的看见一个生命的单位(因为无生命迹象),后世的科学家仍认为其功不可没,一般而言还是将他当作发现细胞的第一人。而事实上真正首先发现活细胞的,还是荷兰生物学家雷文霍克(列文虎克)。

  通过细胞天平,科学家得以追踪细胞在细胞周期和细胞分裂时的重量变化,以及不同培养基质对细胞重量的影响,甚至能了解细胞被病毒入侵时发生了什么。

  据报道,从蚯蚓到向日葵,从细菌到人类,几乎所有生物体都是由细胞组成。自细胞结构被发现以来,科学家就一直对这些生物体的基本单位兴趣浓厚,并揭示了许多细胞的秘密。然而,直到今天,对于活细胞重量的测量,以及如何实时研究细胞的变化,科学家都还没有找到合适的方法。

  新型高解析度细胞天平

  瑞士苏黎世理工学院的丹尼尔·J·穆勒(Daniel J Müller)教授是一位生物物理学家,他的研究团队与巴塞尔大学和伦敦大学学院的研究者合作,开发了一款全新的细胞天平。这项新技术不仅使他们能在很短的时间内量度活细胞的重量,而且可以监测细胞重量随时间的变化情况。据介绍,这个细胞天平的精确度可以达到数毫秒和万亿分之一克。

  研究中,细胞在受控的细胞培养皿条件下进行称重,测得的重量约为2到3纳克。天平的称重臂是一根像晶片一样薄、表面覆盖纤维连接蛋白的透明硅制悬臂,能放到培养皿底部,轻推并拣起单个细胞。这个细胞会悬挂在这根微小悬臂的底面,使科学家能够对其称重。

  称重的同时观察细胞活动

  细胞天平的显微悬臂一端是固定的,会发出一束脉冲蓝色激光使悬臂发生细微振荡;在悬臂另一端,还有一束红外线激光在细胞悬挂之前和之后对振荡的情况进行测量。通过计算两次振荡之间的差异,就能获得细胞的重量。

  在整个测量过程中,我们可以在计算机屏幕上看到细胞重量变化的曲线。通过这一方法,科学家就能监测细胞在一段时间——无论是数毫秒还是数天——内的重量动态。整个细胞天平,包括细胞培养皿,都直接放置在一台高倍数荧光显微镜的载物台上,从而可以在测量的同时观察并拍摄细胞内部的活动。

  活细胞重量的变化

  通过这项新技术,科学家得以追踪细胞在细胞周期和细胞分裂时的重量变化,以及不同培养基质对细胞重量的影响,甚至能了解细胞被病毒入侵时发生了什么。研究团队已经对这些问题开展了许多实验。

  细胞天平的主要发明者大卫·马丁内斯-马丁(David Martínez-Martín)称,研究中尤其值得关注的一个观察结果是,“我们发现,活细胞的重量会连续出现大约1%到4%的起伏,它们或调节它们的总重量。”

研究人员排除了测量误差,证明细胞只有在死亡的时候才会停止这种连续不断的重量变化。毫无疑问,这些结果令研究者十分振奋,他们所观察到的现象是前所未见的。

  对细胞天平的兴趣

  当苏黎世理工学院的科学家报道了新型细胞天平之后,许多科学家都表达了浓厚的兴趣。细胞重量是非常重要的细胞生理学指标,因此生物学家都十分关注该领域的研究。医学和药学领域的研究者也可以利用该技术观察细胞的病理特征变化,以及药物如何影响细胞生长。

  令人略感意外的是,材料科学家也对细胞天平很感兴趣。“对他们来说,这与纳米颗粒的功能性有关——换句话说,这是在改变极小颗粒的表面状态,”马丁内斯-马丁说道。

  目前,研究人员已经获得了该技术的专利,他们的研究结果也发表在近期的《自然》(Nature)杂志上。不同学科的科学家或许很快就能利用这种新型细胞天平来帮助解决各种科学问题。瑞士Nanosurf AG公司已经获得专利许可,即将开始生产这款新型设备。

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