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生命不能稱量之輕: 如何靠簡單的構思發一篇Nature 妙文?


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- 2018年1月01日15時53分
- 科學文摘 / 知社學術圈

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前些天Nature有篇妙文,稱量生命之輕的。其構思非常簡單,但結果挺有意思。不忍獨樂,分享在這裡供大家賞析 – 如何從一個簡單的構思,發一篇Nature妙文?

大家有沒有想過,生命的進程,質量是多少呢?

我們知道活細胞的尺寸、體積和質量在生理過程中非常重要,其失常則會引起各種疾病。而細胞的質量由其所包含的水、蛋白質、油脂、碳水化合物、以及核酸所決定,並與其代謝、增殖、基因表達息息相關。然而,如何在生理環境之中,測量一個活細胞的質量及其隨時間的演化過程,從而一窺生命的奧秘呢?當前,還沒有一個手段,能有所需的質量精度和時間解析度,來完成這一任務。瑞士蘇黎世聯邦理工學院 (ETH

Zurich)的Daniel J. Müller教授及其合作者上周在Nature發表的題為Inertial picobalance reveals fast mass fluctuations in mammalian cells的論文,給這一問題提供了一個巧妙的解決方案。


我們先看結果。如上圖所示,研究人員在10毫秒的時間解析度上,研究了兩類質量在2~3納克左右的細胞,觀測其質量隨時間演化的趨勢。他們發現細胞質量變化的動力學特徵有快和慢兩個時度,幅度約為12-15皮克。快的質量擾動如紅線所示,時度約為2秒;而慢的質量擾動如綠線所示,時度約為18秒。如果將細胞固定(fixed),從上圖灰色曲線可以看出,細胞質量不再隨時間變化。也就是說,細胞質量的快慢擾動,是生命的本徵特徵!

為了研究不同的生命進程對活細胞質量擾動的影響,研究人員阻斷細胞膜水通道蛋白,發現慢尺度的質量變化大幅度縮減,而快尺度的質量擾動變化不大。餓著細胞以抑制其ATP合成也有類似效果,說明細胞質量的擾動與細胞水和能量的交換相關。此外,他們還發現,如果細胞感染病毒的話,在幾十秒的時度內質量變化動力學特徵不變,但在長的時度範圍內,細胞停止生長,如上圖所示。

這是一組很有意思的實驗,能讓我們在精細的時度上看見細胞質量的擾動及其與生命進程的關聯。作者是如何實現的呢? 很簡單,實驗裝置如上圖所示,基於一個沾著待測細胞的懸臂樑。懸臂樑支撐處通過藍色雷射的光熱效應誘導振動,其頻率受所沾細胞質量影響。因此,可以通過對共振頻率的測量,結合帶阻尼的諧振子模型

(SHO),精確確定細胞質量。

組內的同學看見這個示意圖驚呼,這不就是牛津的BlueDrive AFM麼? 我們實驗室也有啊!

的確,這篇論文所用的激勵和測量方法以及數據分析,都是做AFM每天都要用的。而通過共振檢測微小質量、乃至做生物傳感器,這是MEMS的基本手段。用另一個同學的話來說,是我們拿細胞壓壓壓,人家拿細胞振振振,差別就是一篇Nature妙文。全在想法上啊!

其實這樣的例子還不少。2010年,美國橡樹林國家實驗室Kalinin 組在Nature Nanotechnology發表論文,測量納米尺度鋰電池電極的離子擴散。大家一看實驗示意圖,這不就是壓電原子力顯微鏡麼?


探針交流電壓誘導離子擾動,進而予以測量。雖然力電耦合的微觀機理與鐵電壓電很不一樣,但在操作層面,和PFM並無差別,咱怎麼沒有想到呢?

科學研究的樂趣,一是探本求真,在紛繁複雜的現象背後找到事情的本質。而在上下求索的過程之中,要麼突發奇想、要麼觸類旁通、要麼另闢蹊徑,所創造來的種種方便法門,也往往讓人驚喜,甚至給人更大的快樂感。

崔屹教授上周的低溫電鏡研究鋰金屬電極的精細原子結構,以及王宇傑教授這周用CT研究沙子,都有異曲同工之妙。如果想聽Kalinin介紹ESM背後的故事,了解SHO在AFM裡面的諸多應用,不妨報名參加在武漢舉行的 2017先進功能材料與原子力顯微技術國際研討會 (AFM² 2017)。

不過,Ideas are cheap。想法,無論多好,都是廉價的。關鍵是還是要能做出來,才是王道。想像要上天,腳步要落地,基本功紮實了,才能遊刃有餘。與大夥共勉。

大家說,我們能不能用這個方法,來測量靈魂出竅呢?

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