美科学家研制出世界上第一束生物激光

2011-06-20 20:16:26来源: 《科学时报》

  未来可用于光基疗法与细胞和机体组织研究

 

这张显微镜图像展示了从一个单一生物细胞中释放的绿色激光。

  作为光通信、数据存储,以及其他许多现代技术的核心,激光通常是由无生命的固体、液体或气体所产生的。如今,两位美国科学家研制出了世界上第一束生物激光。以一个单细胞为基础,有朝一日,生物激光或许能够用于光基疗法,进而杀死位于身体内部的癌细胞。

  50多年前发明的激光在本质上是一个光放大器。它通过用电、化学方法或另一束激光将气体、液体或固体中的原子或分子“激发”到一个更高的能级来进行操作。一旦激发,“受激”原子中的一个将最终衰变并释放出一个光子,而这个光子将开始撞击其他激发态的原子,并在这一过程中释放出新光子的“洪流”。这些光子通过在两个镜面之间来回反弹而进一步放大它们的数量。其中一个镜面只有部分镀银,以便让一些光线能够以典型的聚焦束的形式释放出去。

  美国波士顿市哈佛医学院的物理学家Malte Gather和Seok-Hyun Yun如今解决了如何在一个活体细胞中复制这一过程的问题。“我们在工作的开始着眼于生物激光的动机在很大程度上是一种科学好奇心。”Gather说,“去年恰逢激光诞生50周年。我们意识到,尽管人们用许多不同类型的材料制造激光,但生物学物质却从未扮演过一个重要角色。”

  Gather和Yun的生物激光的关键是绿色荧光蛋白(GFP)——自从这种分子于上世纪60年代早期在水母(Aequorea victoria)体内被发现以来,它不断被证明对生物学家是非常有用的,这部分缘于活体细胞通过生物程序能够很容易地合成这种分子。Gather和Yun用源自人体肾脏的细胞完成了这一过程,并加入了用于编码GFP的脱氧核糖核酸(DNA)。研究人员随后将一些产生了GFP的细胞置于两面镜子之间——它们的距离仅仅相当于一个细胞的宽度,即只有约20微米。

  为了发出激光,细胞中的GFP需要被另一束激光——约1毫微焦耳的低能蓝光脉冲——所激发。通常情况下,蓝光只能够使GFP在细胞中发出荧光,也就是说,随机向所有方向发光。但是在紧密的光学共振腔内,光线被来回反弹,将GFP的发射放大为一束连贯的绿光。虽然这种激光很微弱,但能被清晰地探测到,而用于生成激光的这个细胞仍然存活。研究人员在6月12日的《自然—光子学》杂志网络版上报告了这一研究成果。

  美国马里兰州巴尔的摩市约翰·霍普金斯大学的材料科学家Qingdong Zheng推测,这种生物激光能够在新型传感器或光基治疗中找到应用,例如,这种激光的使用通过使已有药物产生反应从而杀死癌细胞。他说:“这是一项很棒的工作。”

  Gather和Yun也对自己的这种装置在治疗上的发展潜力很感兴趣。尽管生物激光尚处于研发的最早期阶段,但他们预测,从长远来看,它可能有助于光通信的主干从无生命的电子设备向生物技术转移。Gather表示,这将使开发直接的人机界面变得更为容易——即大脑的神经细胞用闪烁的激光作为其运作信号,从而能够被一个外部设备捕捉到。例如,这样的装置将使得残疾人能够在没有鼠标或键盘的情况下使用计算机。

  对于这项成果的应用前景,研究人员提出了几种可能。首先,由于不同的细胞结构所产生的激光在光学性质上有差异,可以通过分析最后得到的光,来研究细胞和机体组织;第二,目前医学上有一种光基疗法,可把对光敏感的药物送到要医治的机体部位,然后用光照来激发药效,如果在这种疗法中能用上“细胞激光器”,也许可以增进疗效。

  不过研究人员也表示,要完全实现在机体组织内部产生激光,还要解决一个问题,即如何在机体组织内形成一个光学共振腔,而不是像本次研究那样利用外部的两面小镜子。

  但或许生物激光最迷人的方面来自于其本质上是活体的特性。在传统类型的激光中,产生激光的介质会随着时间而退化,直至停止工作。然而,对生物激光而言,细胞能够持续合成新的GFP。Gather说:“我们或许能够制造可自我修复的激光。”

关键字:生物  细胞  生物激光

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2011/0620/article_2159.html
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