精妙裝置聽到“細胞的歌聲”

　　本文來源：麻省理工科技評論

　　回想一下，你的身體無時不刻不在進行或劇烈或細微的運動，而與此同時，身體內(nèi)的細胞組織也在不斷地發(fā)生振蕩，這種振蕩即是細胞的分子運動時發(fā)生的彼此作用力。

　　假如這種作用力在空氣中發(fā)生壓力波，傳導到咱們內(nèi)耳的鼓膜，咱們或許就能聽到“細胞的歌聲”。但由于這種振蕩實在是過分微小，哪怕經(jīng)過***的儀器也很難精確捕捉。

　　現(xiàn)在對比有用的監(jiān)測分子間作用力的設(shè)備是原子力顯微鏡（AFM），其關(guān)鍵組成部分是一個裝有納米級微型探針的懸臂經(jīng)過針尖與被測物體外表的相互作用來丈量各種應(yīng)力。但由于振蕩及精度問題，導致其在監(jiān)測細胞運動時就顯得力不從心了。

　　但這一疑問似乎正在被科學家們處理！依據(jù)美國當?shù)貢r間 5 月 15 日宣布在《自然·光子學》（Nature Photonics）上的一篇文章，加州大學圣地亞哥分校的工程師們研發(fā)出了一種十分精巧活絡(luò)的設(shè)備，活絡(luò)到能夠勘探細菌游動時發(fā)生的作用力，甚至能“聽見”肌肉細胞的脈動。

　　該裝置其實是一種納米級光纖，大概是人類的頭發(fā)直徑的1/100。這種光纖可探測到幽門螺旋桿菌在培養(yǎng)液中游動時產(chǎn)生的低至160飛牛（femtonewton,fN）的作用力，而1飛牛則只是 1 牛頓的約十萬億分之一。

　　此外，納米光纖探測器還能感應(yīng)到從小鼠跳動的心肌細胞中產(chǎn)生的聲音，這種聲音的強度大約為-30分貝，是人耳能聽見的聲音極限的千分之一。

　　“這項技術(shù)的重要之處在于，我們現(xiàn)在可以去追蹤那些極其微觀的互動作用，而在以前，這是無法想象的。”加州大學圣地亞哥分校工程學院納米工程教授 Donald Sirbuly 如此評價他們團隊的工作成果。

　　Sirbuly 教授還表明，這項技能將來的應(yīng)用會愈加激動人心--比方完成對單個細菌形態(tài)和活動的勘探、監(jiān)測細胞聯(lián)系或割裂；監(jiān)測細胞的物理性狀改變，來判別細胞是不是發(fā)作癌變或遭到病毒進犯；乃至作為一個納米級聽診器，來監(jiān)聽活細胞所宣布的聲響。

　　而其實早在2002年，加州大學洛杉磯分校的**納米技術(shù)專家 James Gimzewski 教授就注意到了上述現(xiàn)象，并由此創(chuàng)立了細胞聲學（Sonocytology）。他認為，通過細胞聲音的變化，可以盡早發(fā)現(xiàn)哪些細胞有病變的可能。

　　2004 年，Gimzewski 教授在《科學》雜志上發(fā)表文章，闡述了團隊兩年來對酵母菌的相關(guān)研究，他們發(fā)現(xiàn)，細胞從產(chǎn)生到死亡，始終以某種頻率運動著。這種運動表現(xiàn)為聲音的形式，在特定的頻率范圍內(nèi)進行，而且這些頻率代表某種特殊含義。

　　以細胞聲學的觀點來看，細胞是否健康的重要標志就是振動頻率的變化。健康的細胞標準諧振頻率在 1.8 赫茲到 8.2 赫茲之間，被稱為“細胞的歌聲”，而細胞受到傷害，則會發(fā)出“尖叫”，在細胞死亡前，則會發(fā)出“呻吟”。

　　當細胞出現(xiàn)癌變時，則會制造噪聲。正因如此巨大的突破，Gimzewski 教授創(chuàng)立的細胞聲學也被譽為21世紀最重要的醫(yī)學發(fā)現(xiàn)之一。

　　而這一次，Donald Sirbuly教授的納米光纖探測器無疑將細胞聲學又向前推進了一大步，將現(xiàn)有的原子力顯微鏡（AFM）的靈敏度提升了至少10倍。原子力顯微鏡是目前用于探測分子間極微小相互作用力的主要工具，但相比起直徑僅有數(shù)百納米的新型光纖探測器，它明顯就是個龐然大物了。

　　“你可以簡單的把我們新研發(fā)的納米光纖探測器理解為一臺具備光鑷敏感度的微型原子力顯微鏡”，Sirbuly教授說道。

　　這一設(shè)備的結(jié)構(gòu)極其復雜，主要由薄二氧化錫光纖制成，涂有一層薄薄的聚乙二醇聚合物，同時還鑲嵌有金制納米顆粒。

　　在使用的時候，研究人員需要首先將光纖浸入到細胞溶液之中，然后向其中發(fā)射一束光，根據(jù)光信號傳遞回來的信號強度就可以判斷光纖從周圍環(huán)境中吸收了多少聲音和能量。

　　“我們不僅可以探測到這些細微的能量和聲音，通過這臺高分辨率的納米探測工具，任何細微變化都可以做到量化處理”，Sirbuly解釋道。

　　納米光纖探測器的工作原理其實并不復雜︰當光沿著光纖傳播時，它與金制納米粒子產(chǎn)生交互作用，光信號由此被放大到可以通過常規(guī)顯微鏡觀察到的程度。

　　這些光信號的固定強度會隨著光纖被浸入到細胞溶液之后而改變。當來自細胞的能量和聲波撞擊金制納米顆粒時，會將它們從光纖的表面分離下來，進而使其可以與光信號產(chǎn)生更強的交互作用，由此提升光信號的強度。

　　在實驗的過程中，研究人員也對設(shè)備進行了不斷地校準，使其可以適配不同強度的能量和聲波。

　　上海威正翔禹生物科技創(chuàng)辦于2003年。持續(xù)為國家重大科研項目提供高品質(zhì)細胞培養(yǎng)用進口血清、培養(yǎng)基。為實驗室提供支原體預防和祛除的完整解決方案，為生產(chǎn)、科研提供國際一線無動物源性微生物培養(yǎng)基、蛋白胨、蛋白水解物產(chǎn)品。

　　設(shè)備的關(guān)鍵就在于其光纖聚合層--它足夠靈敏，可以檢測到細胞發(fā)出的十分微弱的能量和聲波。而且這個聚合層并非一成不變的，Sirbuly教授的團隊已經(jīng)開發(fā)出了更硬和更柔軟的聚合物涂層，可以分別用來監(jiān)測更強和更微弱的能量密度。

　　向未來展望，研究人員還計劃使用納米光纖來檢測單個細胞的生物活性與力學特性。而進一步的發(fā)展則會是致力于打造出極其靈敏的生物聽診器，甚至有可能利用聲音的反饋來開發(fā)出新的納米成像技術(shù)。