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

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)隊剛剛研發(fā)出的單細(xì)胞精準(zhǔn)分子測量的類比單位值。10月31日，記者從南京大學(xué)生命分析化學(xué)國家重點實驗室獲悉，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，歷經(jīng)五年“錘煉”出納級探針，可刺入單個細(xì)胞內(nèi)了解分子運行情況。這一“探針”將幫助我們更進(jìn)一步揭開生命體活動中最基本的微小組織——細(xì)胞中分子的精細(xì)特征。

實驗室研究成果于2018年4月17日在國際一流刊物《美國科學(xué)院院報》(PNAS)上發(fā)表

據(jù)該項目主要負(fù)責(zé)人陳洪淵院士介紹，近年來，隨著納米級測量技術(shù)的發(fā)展，在Science及Nature等一系列全球頂級科學(xué)雜志上，多次闡述通過精準(zhǔn)化學(xué)測量技術(shù)和裝置已可實現(xiàn)對細(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，實驗室在國家自然科學(xué)基金委的支持下，開始研發(fā)“單細(xì)胞高時空分辨分子動態(tài)分析系統(tǒng)”項目，主要目的是：設(shè)計出高靈敏分子識別探針，在微、納時空分辨下獲取單細(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，建立首個可獲取單個活細(xì)胞內(nèi)分子動態(tài)變化的測量系統(tǒng)。近日，這一項目終于取得了階段性成果。目前，團(tuán)隊設(shè)計的分子識別探針已經(jīng)實現(xiàn)了對單個活細(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，歷經(jīng)五年“錘煉”出納級探針

“對比目前已有的細(xì)胞檢測，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間分辨率?！标惡闇Y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)和更快的時間尺度(ns級，就是億分之一秒)上進(jìn)行分子測量?！斑@里的空間和時間分辨率，舉例來說，就是：原來拍一個東西得到的照片是512Q2像素，現(xiàn)在我們發(fā)明了可實現(xiàn)更高‘像素’(譬如204848像素)的工具，‘鏡頭’更加高清；而時間尺度，就好像一架可以抓拍億分之一秒的快速相機(jī)，那么整個運動過程也可以分辨得更細(xì)了?！表椖繄F(tuán)隊成員之一，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院江德臣教授告訴記者，通過時空分辨率的大幅提升，能夠成功獲取單個細(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)隊成員在實驗室

記者了解到，該科研項目的攻關(guān)難點在于：如何在納米尺度的探頭上實現(xiàn)對細(xì)胞內(nèi)微量分子的檢測。譬如，在測量分子的化學(xué)活性時，需要將用于分析的各種物質(zhì)精準(zhǔn)輸運到細(xì)胞內(nèi)納米探針的尖端，完成對分子的化學(xué)反應(yīng)和測量。向細(xì)胞內(nèi)如此狹小空間進(jìn)行精準(zhǔn)和定量物質(zhì)輸運是個難題，也沒有成熟的技術(shù)可以借鑒。團(tuán)隊成員進(jìn)行了多次研討，決定利用“溶液在電場作用下，能在納米管中流動”這一原理，嘗試進(jìn)行定向物質(zhì)輸運。在歷經(jīng)四個月的無數(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)體積的輸運溶液從納米毛細(xì)管中精準(zhǔn)排出，隨后通過優(yōu)化實驗參數(shù)，團(tuán)隊最終成功實現(xiàn)將飛升體積分析溶液運輸?shù)侥繕?biāo)區(qū)域，并首次實現(xiàn)了對單個細(xì)胞內(nèi)蛋白活性的定量電化學(xué)分析。研究成果發(fā)表在國際一流刊物《美國科學(xué)院院報》(PNAS)上。

南京大學(xué)生命分析化學(xué)國家重點實驗室自成立以來聚焦核心科學(xué)問題，取得多項重要成果

陳洪淵院士表示，五年來，項目組堅持“原始創(chuàng)新”，堅持朔源物質(zhì)性質(zhì)(簡稱“物性”)，從源頭上設(shè)計各個實驗方案。“也正是這樣，整個團(tuán)隊的每個成員都開展了具有高度原創(chuàng)性的科學(xué)研究，這些成果也極大地推動了儀器平臺的開發(fā)?！薄拔磥恚眠@個‘工具’，將可以讓人們更深入地了解生命體從一個細(xì)胞開始的起源，了解生命過程中細(xì)胞的產(chǎn)生、發(fā)展和死亡變化過程，揭開細(xì)胞內(nèi)的秘密，最終理解生命過程的化學(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，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)。