2018年11月19日
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南京大学团队五年“锤炼”纳级探针:刺入单细胞探索分子活动

中新网南京10月31日电 (记者 申冉 通讯员 齐琦)一根头发丝直径的千分之一,一秒的亿分之一,一滴水的十亿分之一……这一系列数据,是南京大学科研团队刚刚研发出的单细胞精准分子测量的类比单位值。

31日,记者从南京大学生命分析化学国家重点实验室获悉,由南大分析化学学科带头人陈洪渊院士领衔的科研团队,历经五年“锤炼”出纳级探针,可刺入单个细胞内了解分子运行情况。这一“探针”将帮助我们更进一步揭开生命体活动中最基本的微小组织——细胞中分子的精细特征。

实验室研究成果于2018年4月17日在国际一流刊物《美国科学院院报》(PNAS)上发表。 采访者供图 摄

据该项目主要负责人陈洪渊院士介绍,近年来,随着纳米级测量技术的发展,在Science及Nature等一系列全球顶级科学杂志上,多次阐述通过精准化学测量技术和装置已可实现对细胞分子的全面精准探索。

陈洪渊院士告诉记者,从2013年起,实验室在国家自然科学基金委的支持下,开始研发“单细胞高时空分辨分子动态分析系统”项目,主要目的是:设计出高灵敏分子识别探针,在微、纳时空分辨下获取单细胞中分子定位、定性、定量及相互作用的信息;在此基础上,建立首个可获取单个活细胞内分子动态变化的测量系统。

近日,这一项目终于取得了阶段性成果。目前,团队设计的分子识别探针已经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。

南京大学分析化学学科带头人陈洪渊院士领衔的科研团队,历经五年“锤炼”出纳级探针。 陈俨 摄

“对比目前已有的细胞检测,这一系统的进步在于,提高了单细胞内分析的空间分辨率和时间分辨率。”陈洪渊院士介绍,这意味着,可以在更小的尺度(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。

“这里的空间和时间分辨率,举例来说,就是:原来拍一个东西得到的照片是512Q2像素,现在我们发明了可实现更高‘像素’(譬如204848像素)的工具,‘镜头’更加高清;而时间尺度,就好像一架可以抓拍亿分之一秒的快速相机,那么整个运动过程也可以分辨得更细了。”项目团队成员之一,南京大学化学化工学院江德臣教授告诉记者,通过时空分辨率的大幅提升,能够成功获取单个细胞内纳米空间尺度上生物分子的信息,这将为我们理解生命过程的化学本质提供重要的参数。

记者了解到,该科研项目的攻关难点在于:如何在纳米尺度的探头上实现对细胞内微量分子的检测。譬如,在测量分子的化学活性时,需要将用于分析的各种物质精准输运到细胞内纳米探针的尖端,完成对分子的化学反应和测量。向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。团队成员进行了多次研讨,决定利用“溶液在电场作用下,能在纳米管中流动”这一原理,尝试进行定向物质输运。

在历经四个月的无数次失败后,第一滴只有飞升(相当于一滴水的十亿分之一)体积的输运溶液从纳米毛细管中精准排出,随后通过优化实验参数,团队最终成功实现将飞升体积分析溶液运输到目标区域,并首次实现了对单个细胞内蛋白活性的定量电化学分析。研究成果发表在国际一流刊物《美国科学院院报》(PNAS)上。

陈洪渊院士表示,五年来,项目组坚持“原始创新”,坚持朔源物质性质(简称“物性”),从源头上设计各个实验方案。“也正是这样,整个团队的每个成员都开展了具有高度原创性的科学研究,这些成果也极大地推动了仪器平台的开发。”

“未来,利用这个‘工具’,将可以让人们更深入地了解生命体从一个细胞开始的起源,了解生命过程中细胞的产生、发展和死亡变化过程,揭开细胞内的秘密,最终理解生命过程的化学本质。”陈洪渊院士认为,这一成果,也将意味着可以更精准地区别好细胞和坏细胞,未来,将为人类疾病的预防和治疗提供更好的基础数据。