科學也可以如此靠近

細胞有多重?「細胞天平」精確度達萬億分之一克


2018年3月06日13時 今日科學 cnBeta
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北京時間 11 月 24 日消息,據國外媒體報導,從蚯蚓到向日葵,從細菌到人類,幾乎所有生物體都是由細胞組成。自細胞結構被發現以來,科學家就一直對這些生物體的基本單位興趣濃厚,並揭示了許多細胞的秘密。然而,直到今天,對於活細胞重量的測量,以及如何實時研究細胞的變化,科學家都還沒有找到合適的方法。

通過細胞天平,科學家得以追蹤細胞在細胞周期和細胞分裂時的重量變化,以及不同培養基質對細胞重量的影響,甚至能了解細胞被病毒入侵時發生了什麼。

新型高解析度細胞天平

瑞士蘇黎世理工學院的丹尼爾·J·穆勒(Daniel J Müller)教授是一位生物物理學家,他的研究團隊與巴塞爾大學和倫敦大學學院的研究者合作,開發了一款全新的細胞天平。這項新技術不僅使他們能在很短的時間內量度活細胞的重量,而且可以監測細胞重量隨時間的變化情況。據介紹,這個細胞天平的精確度可以達到數毫秒和萬億分之一克。

研究中,細胞在受控的細胞培養皿條件下進行稱重,測得的重量約為 2 到 3 納克。天平的稱重臂是一根像晶片一樣薄、表面覆蓋纖維連接蛋白的透明矽制懸臂,能放到培養皿底部,輕推並揀起單個細胞。這個細胞會懸掛在這根微小懸臂的底面,使科學家能夠對其稱重。

稱重的同時觀察細胞活動

細胞天平的顯微懸臂一端是固定的,會發出一束脈衝藍色雷射使懸臂發生細微振蕩;在懸臂另一端,還有一束紅外線雷射在細胞懸掛之前和之後對振蕩的情況進行測量。通過計算兩次振蕩之間的差異,就能獲得細胞的重量。

在整個測量過程中,我們可以在計算機螢幕上看到細胞重量變化的曲線。通過這一方法,科學家就能監測細胞在一段時間——無論是數毫秒還是數天——內的重量動態。整個細胞天平,包括細胞培養皿,都直接放置在一台高倍數螢光顯微鏡的載物台上,從而可以在測量的同時觀察並拍攝細胞內部的活動。

活細胞重量的變化

通過這項新技術,科學家得以追蹤細胞在細胞周期和細胞分裂時的重量變化,以及不同培養基質對細胞重量的影響,甚至能了解細胞被病毒入侵時發生了什麼。研究團隊已經對這些問題開展了許多實驗。

細胞天平的主要發明者大衛·馬丁內斯 - 馬丁(David Martínez-Martín)稱,研究中尤其值得關注的一個觀察結果是,「我們發現,活細胞的重量會連續出現大約 1% 到 4% 的起伏,它們或調節它們的總重量。」研究人員排除了測量誤差,證明細胞只有在死亡的時候才會停止這種連續不斷的重量變化。毫無疑問,這些結果令研究者十分振奮,他們所觀察到的現象是前所未見的。

對細胞天平的興趣

當蘇黎世理工學院的科學家報導了新型細胞天平之後,許多科學家都表達了濃厚的興趣。細胞重量是非常重要的細胞生理學指標,因此生物學家都十分關注該領域的研究。醫學和藥學領域的研究者也可以利用該技術觀察細胞的病理特徵變化,以及藥物如何影響細胞生長。

令人略感意外的是,材料科學家也對細胞天平很感興趣。「對他們來說,這與納米顆粒的功能性有關——換句話說,這是在改變極小顆粒的表面狀態,」馬丁內斯 - 馬丁說道。

目前,研究人員已經獲得了該技術的專利,他們的研究結果也發表在近期的《自然》(Nature)雜誌上。不同學科的科學家或許很快就能利用這種新型細胞天平來幫助解決各種科學問題。瑞士 Nanosurf AG 公司已經獲得專利許可,即將開始生產這款新型設備。(任天)


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