活細(xì)胞內(nèi)單個(gè)納米尺度細(xì)胞器的提取及電化學(xué)分析的全過(guò)程

一根頭發(fā)絲直徑的千分之一，一秒的億分之一，一滴水的十億分之一……這一系列數(shù)據(jù)，是南京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)剛剛研發(fā)出的單細(xì)胞精準(zhǔn)分子測(cè)量的類比單位值。10月31日，記者從南京大學(xué)生命分析化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲悉，由南大分析化學(xué)學(xué)科帶頭人陳洪淵院士領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)五年“錘煉”出納級(jí)探針，可刺入單個(gè)細(xì)胞內(nèi)了解分子運(yùn)行情況。這一“探針”將幫助我們更進(jìn)一步揭開(kāi)生命體活動(dòng)中最基本的微小組織——細(xì)胞中分子的精細(xì)特征。

實(shí)驗(yàn)室研究成果于2018年4月17日在國(guó)際一流刊物《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》(PNAS)上發(fā)表

據(jù)該項(xiàng)目主要負(fù)責(zé)人陳洪淵院士介紹，近年來(lái)，隨著納米級(jí)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，在Science及Nature等一系列全球頂級(jí)科學(xué)雜志上，多次闡述通過(guò)精準(zhǔn)化學(xué)測(cè)量技術(shù)和裝置已可實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞分子的全面精準(zhǔn)探索。陳洪淵院士告訴記者，從2013年起，實(shí)驗(yàn)室在國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持下，開(kāi)始研發(fā)“單細(xì)胞高時(shí)空分辨分子動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)”項(xiàng)目，主要目的是：設(shè)計(jì)出高靈敏分子識(shí)別探針，在微、納時(shí)空分辨下獲取單細(xì)胞中分子定位、定性、定量及相互作用的信息；在此基礎(chǔ)上，建立首個(gè)可獲取單個(gè)活細(xì)胞內(nèi)分子動(dòng)態(tài)變化的測(cè)量系統(tǒng)。近日，這一項(xiàng)目終于取得了階段性成果。目前，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的分子識(shí)別探針已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)活細(xì)胞中納米空間內(nèi)生物分子化學(xué)屬性的精準(zhǔn)測(cè)量。

南京大學(xué)分析化學(xué)學(xué)科帶頭人陳洪淵院士領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)五年“錘煉”出納級(jí)探針

“對(duì)比目前已有的細(xì)胞檢測(cè)，這一系統(tǒng)的進(jìn)步在于，提高了單細(xì)胞內(nèi)分析的空間分辨率和時(shí)間分辨率。”陳洪淵院士介紹，這意味著，可以在更小的尺度(50nm尺度，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲直徑的千分之一)和更快的時(shí)間尺度(ns級(jí)，就是億分之一秒)上進(jìn)行分子測(cè)量。“這里的空間和時(shí)間分辨率，舉例來(lái)說(shuō)，就是：原來(lái)拍一個(gè)東西得到的照片是512Q2像素，現(xiàn)在我們發(fā)明了可實(shí)現(xiàn)更高‘像素’(譬如204848像素)的工具，‘鏡頭’更加高清；而時(shí)間尺度，就好像一架可以抓拍億分之一秒的快速相機(jī)，那么整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程也可以分辨得更細(xì)了。”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員之一，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院江德臣教授告訴記者，通過(guò)時(shí)空分辨率的大幅提升，能夠成功獲取單個(gè)細(xì)胞內(nèi)納米空間尺度上生物分子的信息，這將為我們理解生命過(guò)程的化學(xué)本質(zhì)提供重要的參數(shù)。

陳洪淵院士、夏興華教授及團(tuán)隊(duì)成員在實(shí)驗(yàn)室

記者了解到，該科研項(xiàng)目的攻關(guān)難點(diǎn)在于：如何在納米尺度的探頭上實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)微量分子的檢測(cè)。譬如，在測(cè)量分子的化學(xué)活性時(shí)，需要將用于分析的各種物質(zhì)精準(zhǔn)輸運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)納米探針的尖端，完成對(duì)分子的化學(xué)反應(yīng)和測(cè)量。向細(xì)胞內(nèi)如此狹小空間進(jìn)行精準(zhǔn)和定量物質(zhì)輸運(yùn)是個(gè)難題，也沒(méi)有成熟的技術(shù)可以借鑒。團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行了多次研討，決定利用“溶液在電場(chǎng)作用下，能在納米管中流動(dòng)”這一原理，嘗試進(jìn)行定向物質(zhì)輸運(yùn)。在歷經(jīng)四個(gè)月的無(wú)數(shù)次失敗后，第一滴只有飛升(相當(dāng)于一滴水的十億分之一)體積的輸運(yùn)溶液從納米毛細(xì)管中精準(zhǔn)排出，隨后通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，團(tuán)隊(duì)最終成功實(shí)現(xiàn)將飛升體積分析溶液運(yùn)輸?shù)侥繕?biāo)區(qū)域，并首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)細(xì)胞內(nèi)蛋白活性的定量電化學(xué)分析。研究成果發(fā)表在國(guó)際一流刊物《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》(PNAS)上。

南京大學(xué)生命分析化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自成立以來(lái)聚焦核心科學(xué)問(wèn)題，取得多項(xiàng)重要成果

陳洪淵院士表示，五年來(lái)，項(xiàng)目組堅(jiān)持“原始創(chuàng)新”，堅(jiān)持朔源物質(zhì)性質(zhì)(簡(jiǎn)稱“物性”)，從源頭上設(shè)計(jì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)方案。“也正是這樣，整個(gè)團(tuán)隊(duì)的每個(gè)成員都開(kāi)展了具有高度原創(chuàng)性的科學(xué)研究，這些成果也極大地推動(dòng)了儀器平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。”“未來(lái)，利用這個(gè)‘工具’，將可以讓人們更深入地了解生命體從一個(gè)細(xì)胞開(kāi)始的起源，了解生命過(guò)程中細(xì)胞的產(chǎn)生、發(fā)展和死亡變化過(guò)程，揭開(kāi)細(xì)胞內(nèi)的秘密，最終理解生命過(guò)程的化學(xué)本質(zhì)。”陳洪淵院士認(rèn)為，這一成果，也將意味著可以更精準(zhǔn)地區(qū)別好細(xì)胞和壞細(xì)胞，未來(lái)，將為人類疾病的預(yù)防和治療提供更好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。