2018年11月19日
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南京大学研究分子检测技术 单分子识别探针揭示细胞内秘密

新华网南京10月26日电(戚轩瑜 齐琦/文陈俨/图)细胞是个体生命的最小单位,又是一个复杂的“小世界”,探寻人类健康的密码得从细胞的内部开始追根朔源。近日,中科院院士、南京大学化学化工学院陈洪渊教授率领的研究团队宣布,通过化学机制的创新,实现了对单个活细胞中纳米空间内生物分子化学属性的精准测量,大幅度提高了检测的准确率和检出率。

据介绍,此项研究成果实现了在纳秒及纳米水平精准呈现细胞分子过程的物质分布及演化规律,有望在分子水平阐明疾病发生、发展过程的分子机制,继而为分子检测建立理论基础。

陈洪渊院士观察实验过程

获取单个细胞内纳米空间尺度上生物分子的信息,这将为人们理解生命过程的化学本质提供重要的依据。但向细胞内如此狭小的空间进行定量、精准地物质输运是个公认的难题,目前也没有成熟的技术可以借鉴。项目组经过多次研讨,最后决定采用电化学泵将检测试剂导入单细胞内,并利用“纳米电极表面激元增强”效应,尝试进行单细胞高时空分析。

科学仪器是人类感觉器官的延伸,是人类认识世界、获取信息的重要工具。然而,做未知研究领域首个“吃螃蟹”的人,必然有众多棘手的问题亟待解决。由于输运溶液的体积只有“飞升”,对这个仅相当于一滴水的十亿分之一体积的溶液该采用多大电压?如何观测这样微小的液滴?研究团队在设计好实验方案的基础上,又查阅了大量的资料,通过反复的实验论证,终于在项目启动后的第4个月成功获得了第一滴从纳米毛细管内精准排出的液体。并在此基础上,进一步优化实验参数,使之在分析时不会干扰细胞自身的活性。

陈洪渊院士(右)与研究团队成员讨论实验情况

“我们成功地实现了将‘飞升’体积的分析溶液输运到目标区域,并在国际上首次实现了对单个细胞内蛋白活性的定量电化学分析,研究成果发表于国际顶级期刊《美国科学院院刊》。”研究团队的主要成员之一,南京大学化学化工学院教授、青年长江学者江德臣介绍。

据了解,该研究团队的二十名成员来自南京大学、清华大学、东南大学和协和医学院,包括陈洪渊院士、夏兴华、徐静娟、顾忠泽、莫宇翔、江德臣等多位长江学者和资深教授。在项目执行过程中,研究团队大力提倡“原始创新”,要求大家能够朔源物质性质(简称“物性”),从源头上设计各个实验方案。在此基础上,项目组整体(包括老师和学生)开展了具有高度原创性的科学研究,这些研究成果也极大地推动了仪器平台的开发。“研究团队成员的学科是交叉的,我们几个学科衔接得很好,现在有新的突破,大家都很高兴。”陈洪渊院士说。

研究团队集体讨论

对比现有的细胞检测工作,本次研究的先进性在于提高了单细胞分析的空间分辨率和时间分辨率。换句话说,研究者可以在更小的尺度(目前可以在50nm尺度,相当于一根头发丝直径的千分之一)和更快的时间尺度(ns级,就是亿分之一秒)上进行分子测量。

江德臣教授深入浅出地解释了“空间分辨率”和“时间分辨率”这两个概念。“提高空间分辨率,好比原来拍摄一个物体得到的照片是512*512像素,现在我们发明了更高分辨率(譬如2048*2048)的拍摄工具,那么就可以看得更加清楚;提高时间分辨率,就是能把一个过程看得更清晰了,相当于快速相机一样。”江德臣举例道,“通过时空分辨率的提升,我们可以对细胞进行更加精细的观察和研究,为进一步理解生命过程的化学本质提供更多的有用数据。”

陈洪渊院士表示,通过反复实验论证得到的这些数据,有助于理解细胞产生、发展和死亡的生命过程,进而揭示生命过程的化学本质,推动生命科学的发展。此外,检测仪器可在细胞病变的最早期,对病变细胞进行有效的识别,去帮助临床大夫进行诊疗,将疾病扼杀在摇篮里,推动临床诊疗的发展。“只有心系祖国,心系人民健康,心中怀有这些远大目标才能有持久不懈的动力。”陈洪渊院士如是说。