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美科學家研制出世界上第一束生物激光

趙路

2011年06月16日08:29    來源:《科學時報》     手機看新聞

  未來可用於光基療法與細胞和機體組織研究
這張顯微鏡圖像展示了從一個單一生物細胞中釋放的綠色激光。


  (圖片提供:Malte Gather)

  

  本報訊作為光通信、數據存儲,以及其他許多現代技術的核心,激光通常是由無生命的固體、液體或氣體所產生的。如今,兩位美國科學家研制出了世界上第一束生物激光。以一個單細胞為基礎,有朝一日,生物激光或許能夠用於光基療法,進而殺死位於身體內部的癌細胞。

  50多年前發明的激光在本質上是一個光放大器。它通過用電、化學方法或另一束激光將氣體、液體或固體中的原子或分子“激發”到一個更高的能級來進行操作。一旦激發,“受激”原子中的一個將最終衰變並釋放出一個光子,而這個光子將開始撞擊其他激發態的原子,並在這一過程中釋放出新光子的“洪流”。這些光子通過在兩個鏡面之間來回反彈而進一步放大它們的數量。其中一個鏡面隻有部分鍍銀,以便讓一些光線能夠以典型的聚焦束的形式釋放出去。

  美國波士頓市哈佛醫學院的物理學家Malte Gather和Seok-Hyun Yun如今解決了如何在一個活體細胞中復制這一過程的問題。“我們在工作的開始著眼於生物激光的動機在很大程度上是一種科學好奇心。”Gather說,“去年恰逢激光誕生50周年。我們意識到,盡管人們用許多不同類型的材料制造激光,但生物學物質卻從未扮演過一個重要角色。”

  Gather和Yun的生物激光的關鍵是綠色熒光蛋白(GFP)——自從這種分子於上世紀60年代早期在水母(Aequorea victoria)體內被發現以來,它不斷被証明對生物學家是非常有用的,這部分緣於活體細胞通過生物程序能夠很容易地合成這種分子。Gather和Yun用源自人體腎臟的細胞完成了這一過程,並加入了用於編碼GFP的脫氧核糖核酸(DNA)。研究人員隨后將一些產生了GFP的細胞置於兩面鏡子之間——它們的距離僅僅相當於一個細胞的寬度,即隻有約20微米。

  為了發出激光,細胞中的GFP需要被另一束激光——約1毫微焦耳的低能藍光脈沖——所激發。通常情況下,藍光隻能夠使GFP在細胞中發出熒光,也就是說,隨機向所有方向發光。但是在緊密的光學共振腔內,光線被來回反彈,將GFP的發射放大為一束連貫的綠光。雖然這種激光很微弱,但能被清晰地探測到,而用於生成激光的這個細胞仍然存活。研究人員在6月12日的《自然—光子學》雜志網絡版上報告了這一研究成果。

  美國馬裡蘭州巴爾的摩市約翰·霍普金斯大學的材料科學家Qingdong Zheng推測,這種生物激光能夠在新型傳感器或光基治療中找到應用,例如,這種激光的使用通過使已有藥物產生反應從而殺死癌細胞。他說:“這是一項很棒的工作。”

  Gather和Yun也對自己的這種裝置在治療上的發展潛力很感興趣。盡管生物激光尚處於研發的最早期階段,但他們預測,從長遠來看,它可能有助於光通信的主干從無生命的電子設備向生物技術轉移。Gather表示,這將使開發直接的人機界面變得更為容易——即大腦的神經細胞用閃爍的激光作為其運作信號,從而能夠被一個外部設備捕捉到。例如,這樣的裝置將使得殘疾人能夠在沒有鼠標或鍵盤的情況下使用計算機。

  對於這項成果的應用前景,研究人員提出了幾種可能。首先,由於不同的細胞結構所產生的激光在光學性質上有差異,可以通過分析最后得到的光,來研究細胞和機體組織﹔第二,目前醫學上有一種光基療法,可把對光敏感的藥物送到要醫治的機體部位,然后用光照來激發藥效,如果在這種療法中能用上“細胞激光器”,也許可以增進療效。

  不過研究人員也表示,要完全實現在機體組織內部產生激光,還要解決一個問題,即如何在機體組織內形成一個光學共振腔,而不是像本次研究那樣利用外部的兩面小鏡子。

  但或許生物激光最迷人的方面來自於其本質上是活體的特性。在傳統類型的激光中,產生激光的介質會隨著時間而退化,直至停止工作。然而,對生物激光而言,細胞能夠持續合成新的GFP。Gather說:“我們或許能夠制造可自我修復的激光。”(趙路)
(責任編輯:崔雷)

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