南大陈洪渊院士团队实现纳米尺度的分子测量  看清细胞里的“小宇宙” 

如何让善于伪装的病变细胞原形毕露?这需要弄清楚细胞这个“小宇宙”里到底发生了什么复杂的反应。科技周刊记者近日从陈洪渊院士团队获悉,陈洪渊院士从2013年开始主持的一项总经费6400万元的基金委重大科学仪器研制项目即将结题,“经过5年攻坚,项目组在国际上率先建立了可获取单个活细胞内生物分子动态变化的分子测量系统。”谈起项目取得的系列成果,陈洪渊院士充满自豪。 

“生命过程的本质,可以说是一系列化学反应的集合,我们要了解细胞之间的差异,就必须弄清楚生物分子一系列的化学变化与结构变化。”陈洪渊院士说,作为生命的最小单位,细胞自身是由不同分子以不同的方式组合起来的。要了解人类疾病的致病机理,就必须研究细胞的各种分子。 

陈洪渊院士带着记者走进团队实验室,向记者展示了实现对单细胞进行物质输运和测量的新型分子探针。这根“探针”本身是一根毛细管,底端连接着仪器,看似平常无奇。“它的前端细至50—100纳米,一般来说,一根头发丝的直径约50微米,50纳米相当于头发丝的千分之一,肉眼是看不见的。” 团队骨干成员之一、南京大学化学化工学院江德臣教授告诉记者,探针的尖端相当于仪器的“触角”,通过它可以进入细胞,然后读取细胞中的数据,包括温度、分子变化等,甚至未来可以追溯出致病因子。 

对比于当下的细胞检测,项目组提高了单细胞分析的空间分辨率和时间分辨率,实现了50纳米和纳秒级分子的化学属性的测量。通过时空分辨率的提升,可对细胞进行更加精细的研究,为进一步理解生命过程的化学本质提供更多的数据。通过综合电化学、光学和质谱检测手段,就可以探知细胞内的化学变化,给细胞们贴上不同的标签,掌握细胞行为的相关数据,细胞如何产生,如何分化,如何死亡;药物分子如何钻进去与细胞中物质起作用?它们之间有什么差异?从而为细胞领域深入研究打下坚实基础。 

“细胞内如此狭小空间进行精准和定量物质输运是个难题,也没有成熟的技术可以借鉴。”陈洪渊院士告诉记者,实现纳米级的细胞内分析,难点之一在于如何将用于分析的各种物质精准的输运到该纳米空间中,完成对目标生物分子的化学反应的测量。 

项目组经过多次研讨,最后决定利用“溶液在电场作用下,能在纳米管中进行流动”这一电泳原理,尝试进行定向物质输运。虽然原理可行,但是由于输运溶液的体积只有飞升(相当于一滴水的十亿分之一体积),因此采用多大电压,如何进行观测这样微小的液滴都需要进行摸索。在开始尝试的前几个月,项目组碰到了一系列困难,没有获得一个有效数据,在尝试的第四个月,项目组才成功获得了第一滴从纳米毛细管精准排出的液体,实现了将飞升体积的分析溶液输运到目标区域。在此基础上,项目组进一步优化实验参数,最终,在国际上率先实现了对单个细胞内蛋白活性的定量电化学分析。 

来源:南京大学新闻网  

  

  

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