活細胞內(nèi)單個納米尺度細胞器的提取及電化學分析的全過程

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)，是南京大學科研團隊剛剛研發(fā)出的單細胞精準分子測量的類比單位值。10月31日，記者從南京大學生命分析化學國家重點實驗室獲悉，由南大分析化學學科帶頭人陳洪淵院士領(lǐng)銜的科研團隊，歷經(jīng)五年“錘煉”出納級探針，可刺入單個細胞內(nèi)了解分子運行情況。這一“探針”將幫助我們更進一步揭開生命體活動中最基本的微小組織——細胞中分子的精細特征。

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

據(jù)該項目主要負責人陳洪淵院士介紹，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雜志上，多次闡述通過精準化學測量技術(shù)和裝置已可實現(xiàn)對細胞分子的全面精準探索。陳洪淵院士告訴記者，從2013年起，實驗室在國家自然科學基金委的支持下，開始研發(fā)“單細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，團隊設(shè)計的分子識別探針已經(jīng)實現(xiàn)了對單個活細胞中納米空間內(nèi)生物分子化學屬性的精準測量。

南京大學分析化學學科帶頭人陳洪淵院士領(lǐng)銜的科研團隊，歷經(jīng)五年“錘煉”出納級探針

“對比目前已有的細胞檢測，這一系統(tǒng)的進步在于，提高了單細胞內(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，那么整個運動過程也可以分辨得更細了。”項目團隊成員之一，南京大學化學化工學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本質(zhì)提供重要的參數(shù)。

陳洪淵院士、夏興華教授及團隊成員在實驗室

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)對細胞內(nèi)微量分子的檢測。譬如，在測量分子的化學活性時，需要將用于分析的各種物質(zhì)精準輸運到細胞內(nèi)納米探針的尖端，完成對分子的化學反應(yīng)和測量。向細胞內(nèi)如此狹小空間進行精準和定量物質(zhì)輸運是個難題，也沒有成熟的技術(shù)可以借鑒。團隊成員進行了多次研討，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(相當于一滴水的十億分之一)體積的輸運溶液從納米毛細管中精準排出，隨后通過優(yōu)化實驗參數(shù)，團隊最終成功實現(xiàn)將飛升體積分析溶液運輸?shù)侥繕藚^(qū)域，并首次實現(xiàn)了對單個細胞內(nèi)蛋白活性的定量電化學分析。研究成果發(fā)表在國際一流刊物《美國科學院院報》(PNAS)上。

南京大學生命分析化學國家重點實驗室自成立以來聚焦核心科學問題，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?！耙舱沁@樣，整個團隊的每個成員都開展了具有高度原創(chuàng)性的科學研究，這些成果也極大地推動了儀器平臺的開發(fā)?！薄拔磥?，利用這個‘工具’，將可以讓人們更深入地了解生命體從一個細胞開始的起源，了解生命過程中細胞的產(chǎn)生、發(fā)展和死亡變化過程，揭開細胞內(nèi)的秘密，最終理解生命過程的化學本質(zhì)。”陳洪淵院士認為，這一成果，也將意味著可以更精準地區(qū)別好細胞和壞細胞，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)。