科學家在單個分子傳感器領域取得突破

    加州理工學院應用物理學家設計出一種利用顯微鏡光學設備探測生物分子的方法。現已證明該方法可以有效地探測到一種顯示免疫系統功能的信號蛋白質，即細胞因子（cytokine）。該方法具有廣泛的醫學應用前景，不僅可以用于及時診斷癌癥和其它疾病，還可以用于基礎生物學研究。

　　據信息科技學教授兼應用物理學教授克里·瓦哈拉稱，他的實驗室先前曾發明了一種“超高Q微型環芯共振器”，新的探測技術正是以這項發明為核心。這是一種環形的玻璃設備，其寬度比人的頭發絲還要細，能夠非常有效地持續發光。瓦哈拉解釋稱：“憑借這一特點，該探測器的靈敏度可以達到單一分子的水平，雖然這有點不可思議。”他強調稱，最初的設想是探測依附于環形設備上的分子所引起的光學反應。“隨著研究的深入，我們能夠觀察單分子探測事件，而且遠比最初的設想要容易得多。”這真是一個愉快的驚喜，究其原因，當分子與微型環芯共鳴器內部儲存的光發生相互作用時將產生熱量，而該設備可以準確地記錄下這些熱量。瓦哈拉解釋道：“這種熱－光反應使靈敏度提高了一百萬倍。”安德里亞·阿爾瑪尼在瓦哈拉的實驗室工作，她把開發這種設備作為其論文研究的一部分，她強調稱，設備不僅有極高的靈敏度，還是可編程的，其方式是在它的表面涂上可以與特殊生物分子發生反應的材料。

　　“該設備所觀測的分子是一種增長因子還是一種類似TNT的化學分子將由玻璃微型環芯的表面處理情況來決定。”幸運地是，生物學界和化學界已經開發出了把蛋白質與玻璃表面相給合的技術，這種技術非常有效，因為大多數顯微鏡載片是玻璃制成的。我們需要做的是采用這種技術來準備我們的結構。瓦哈拉強調稱，“把單一分子靈敏度與可編程探測法相結合，也就是說，無需為目標分子帖上標簽，這在以前還沒有先例，它將使新的試驗和測量方法成為可能。”

　　生物學及生物工程學教授斯科特·弗拉瑟爾是該項目的合作者，他進一步解釋道：“該技術將廣泛應用于生物實驗、醫學試驗、甚至醫療領域。其優勢在于它能夠探測到極少數的分子，而且無需為目標分子帖上標簽。憑借這種靈敏度，它甚至可以用于實時研究單一細胞釋放出的增長因子。”弗拉瑟爾補充稱：“這是目前唯一具有這種必不可少的靈敏度和速度的傳感器。”

　　這種類型的實驗對于監測環境如何發生變化是非常重要的，比如監測pH值或溫度，它可以影響一顆細胞的行為。目前，完成這類實驗還必須使用數百萬顆的細胞，這經常使結果較為模糊，因為這就好比試圖從合唱團中挑選出一個單獨的聲音。”

　　在7月5日的《科學快訊》雜志網絡版上，該團隊報告稱已經成功地探測到一系列不同的分子，包括一種免疫反應信號蛋白質，即白細胞間介素－2（IL-2）。為了探測到IL－2，涂在該設備上的相應分子是一種可以識別IL－2的特殊抗體。這種表面處理允許探測器表面與 IL－2結合在一起，與此同時，熱－光機制提供了探測IL－2所必需的單分子級靈敏度，即使在血清中也可以達到這種靈敏度。

    最令人興奮的是，該設備能夠在無需標注的情況下實時地獲得單分子觀測結果。究其原因，它可以按程序探測幾乎任何一種生物分子，它是一種通用的探測器。正因如此，它將向所有的新實驗敞開大門。

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《科學快訊》：新方法用顯微光學裝置探測單個生物分子

教育部科技發展中心
來自加州理工的應用物理學家找到了用顯微光學裝置探測單個生物分子的方法。科學家已經用一種免疫系統的信號蛋白cytokines證實了此方法的有效性，因此它可以被用于多種醫學領域，例如癌癥和其它疾病的早期診斷，以及基礎生物學研究等。相應的實驗結果發表在7月5日的在線刊物《科學快訊》（Science Express）上。
 
信息科學技術以及應用物理教授Kerry Vahala認為，這一新探測技術來源于之前的一項發明“超高Q微型環芯共振器”。它是面包圈形狀的比人類頭發還細的玻璃裝置，Vahala表示：“探測器依靠這一特性將探測靈敏度提高到單分子水平。”
 
這一設計的最初目的是直接探測分子落到共振器后的光學反應，但是隨著工作的進行，小組發現他們可以非常容易的探測到單個分子，除了擁有很高的靈敏度之外，科學家還可以在裝置的表面鍍上能和特定生物分子發生反應的物質。
 
因此我們可以利用它們設計實驗來監測環境的變化情況，例如pH或溫度能影響細胞的行為。目前這類實驗需要針對數百萬細胞群體進行，這就好像要從合唱中挑出單個聲音一樣困難。
 
在Science Express上，小組報道了他們成功探測到一系列不同的分子，包括一個免疫反應信號蛋白IL-2，科學家鍍上了一層特殊的識別IL-2的抗體，這使得探測器表面可以結合IL-2，而且可以提供探測單個IL-2分子水平的靈敏度，甚至是在血漿中。
 
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