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      激光與生命科學(xué)論文(2)

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      激光與生命科學(xué)論文

        激光與生命科學(xué)論文篇二

        關(guān)鍵詞:激光技術(shù);生命科學(xué);研究;應(yīng)用

        1、前言

        生命現(xiàn)象是細(xì)胞存在的運(yùn)動形式。生命活動本質(zhì)上講是以細(xì)胞活動為基礎(chǔ)的。有人做過這樣的結(jié)論:“一切生物問題的答案最終要到細(xì)胞中去尋找”。由此可見,細(xì)胞研究在生命科學(xué)中的重要位置。從細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展歷史來看,研究方法和手段的不斷創(chuàng)新推動了生命科學(xué)從一個水平發(fā)展到一個新的水平。60年代迅速發(fā)展起來的激光新技術(shù)為細(xì)胞生物學(xué)的研究提供了嶄新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和手段,在生命科學(xué)的研究中已展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。一門新興的交叉學(xué)科一激光細(xì)胞工程學(xué)正在逐步形成。本文擬對近年來激光技術(shù)在細(xì)胞研究中的諸多應(yīng)用作一綜述,以期引起人們關(guān)注激光技術(shù)在生命科學(xué)研究中的重要作用。

        2、背,材料

        就細(xì)胞生物學(xué)的研究方法而言,概括起來大致可分為四類:形態(tài)觀察;生化分析;生理測定及一些實(shí)驗(yàn)性技術(shù),激光技術(shù)在其中則都大有用武之地,下面簡述之。

        2.1形態(tài)觀察

        2.1.IX激光全息、立體成.象

        傳統(tǒng)的細(xì)胞檢測觀察不是采用光學(xué)顯微鏡就是采用電子顯微鏡,但兩者皆有局限性,前者由于受儀器辨率的影響不能看清線度小的細(xì)胞;后者雖然可以得到高分辨率,但生物樣品必須切片,固定和干燥,樣品不能保持自然狀態(tài),生物學(xué)家渴望的是對活細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行三維觀察,而X激光全息或?qū)游龇ㄒ烟峁┝私鉀Q此問題的途徑。

        美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室利用高功率激光器已拍攝到第一張鼠胰腺細(xì)胞的X射線全息圖,并可使用可見激光來再現(xiàn),但分辨率還較低。雖然X激光細(xì)胞全息圖還未達(dá)到實(shí)用的要求,但由于X射線全息可以揭示生物體表面下所發(fā)生的現(xiàn)象,特別是用水窗(2.3~4,4nm)X射線對生物活細(xì)胞成象,不用染色就可以在蛋白質(zhì)和細(xì)胞液之間獲得很高的對比度,超短脈沖激光等離子體軟X射線可以在極短的時間內(nèi)對樣品曝光,可以避免對樣品的損傷,這是其它X射線源所無法比擬的。

        2.1.2熒光壽命時間分辮顯微術(shù)

        曾經(jīng)在細(xì)胞生物學(xué)中廣泛應(yīng)用的熒光(強(qiáng)度)顯微鏡只能提供穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度圖象,它主要揭示在細(xì)胞區(qū)域內(nèi)的著色點(diǎn)及指明抗體的數(shù)目,將脈沖激光時間分辨、光譜分辨的高信息容量與二維顯微成象相結(jié)合就能構(gòu)成全新的激光熒光壽命時間分辨顯微鏡,它可以觀察到細(xì)胞的結(jié)構(gòu)圖象,特別是采用選擇激發(fā)方式,可以研究細(xì)胞內(nèi)諸如K+、CaZ+、O:等感興趣的特定物質(zhì)的濃度分布及圖象,其對比度與該細(xì)胞內(nèi)一部份試樣激發(fā)熒光的壽命有關(guān),有極高的信噪比。

        2.2生化分析

        傳統(tǒng)的顯微光譜分析技術(shù)是研究生物體系結(jié)構(gòu)與功能的重要生化分析手段之一。如果激發(fā)光源采用激光,利用激光感生熒光、激光喇曼光譜等激光光譜分析技術(shù)可實(shí)現(xiàn)時間及空間的高分辨率研究,例如對脫氧核糖核酸(DNA)、蛋白質(zhì)、葉綠素、視紫紅質(zhì)、叮吮類染料形成的絡(luò)合物等樣品進(jìn)行的各種激光光譜測定獲得了有關(guān)分子結(jié)構(gòu)、各種能量轉(zhuǎn)移過程、扭轉(zhuǎn)動力學(xué)等諸多方面的大量信息并可以快速地診斷一些生物分子的瞬態(tài)過程,例如光合作用、視覺現(xiàn)象等。

        激光選擇激發(fā)光譜分析不僅能從若干生物分子混合物中選擇某種分子的光激發(fā),即分子間的,選擇性激發(fā),而且對于某一分子內(nèi)部的分子鍵,即分子態(tài)進(jìn)行選擇激發(fā),從而可以實(shí)現(xiàn)分子間的選擇性分離。美國的洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室曾利用激光選擇激發(fā)及光致電離的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的細(xì)胞分離,獲得了發(fā)明專利。

        2.3實(shí)驗(yàn)性技術(shù)

        傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)性技術(shù)主要是通過顯微操作進(jìn)行細(xì)胞的融合或拆合,從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞雜交,將細(xì)胞質(zhì)、核分開,實(shí)現(xiàn)核的移植、基因?qū)?、?xì)胞切割等,采用激光技術(shù)以后這些傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)性技術(shù)可以有新的突破性進(jìn)展。

        2.3.1激光顯微外科操作

        將激光引入光學(xué)顯微鏡聚焦成微米級或亞微米級光點(diǎn)的微束裝置可對細(xì)胞靶體進(jìn)行顯微外科手術(shù)。這一技術(shù)與常規(guī)的顯微操作(如化學(xué)法和顯微注射法等)比起來,具有定位精確、操作簡便、可對細(xì)胞靶體進(jìn)行選擇性損傷等優(yōu)點(diǎn),因而受到人們的普遍重視。

        1984年,日本理化研究所首次報道了用激光微束在細(xì)胞上打孔并導(dǎo)入外源DNA的研究,其后美國加州大學(xué)貝克曼激光研究所、德國的韋伯和日本日立相繼報道了用激光束穿刺細(xì)胞壁、細(xì)胞膜和核膜,導(dǎo)入外來基因的結(jié)果,為遺傳學(xué)的研究開辟了新途經(jīng)。

        1988年,日本建成了激光切割染色體的裝置,此裝置可通過計(jì)算機(jī)將激光照射精度定到0.1微米以下,只要指明染色體的位置,即可自動地切斷或削去特定部位,可將染色體切成傳統(tǒng)切割尺寸的十分之一大小,并且可將不要的部位利用熱能汽化除掉。從而實(shí)現(xiàn)DNA或蛋白質(zhì)分子的有選擇性的新重復(fù)制或分子裁剪,以致改變生物大分子的遺傳結(jié)構(gòu)和生物功能。如果把激光切割染色體與微克隆和細(xì)胞培養(yǎng)等生物技術(shù)結(jié)合,則就有可能為基因定位和分離開辟出一條新的途徑。

        199。年,英國學(xué)者將激光細(xì)胞切割用于DNA的修補(bǔ)工作。他們先用KrF準(zhǔn)分子激光器的248納米波長的輻射照射DNA,靠激光產(chǎn)生的等離子體中的強(qiáng)X射線切斷DNA的索帶,然后用XeF準(zhǔn)分子激光器的351納米輻射進(jìn)行修補(bǔ)。此項(xiàng)研究的目的在于探討激光修補(bǔ)DNA的動力學(xué)原理和機(jī)制,以便為揭示致癌機(jī)理和癌癥治療提供科學(xué)依據(jù)。

        2.3.2細(xì)胞融合

        細(xì)胞融合是細(xì)胞工程的重要內(nèi)容,通過細(xì)胞融合可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞雜交,采用激光微束裝置皿可將兩個不同特性、不同大小的細(xì)胞在顯微鏡下融合。

        王9盡7和1989’年,德國海德堡理化研究所相繼報道了用激光誘導(dǎo)哺乳動物細(xì)胞融合和植物原生質(zhì)體融合的工作。他們使用的是準(zhǔn)分子激光器泵浦的染料激光器,高強(qiáng)度的激光微束照射使油菜原生質(zhì)體膜受到損傷,在這種短暫損傷下相鄰的原生質(zhì)體膜相互融合成一個細(xì)胞。與其他方法相比,激光法的優(yōu)點(diǎn)是無毒性、對融合點(diǎn)或融合對象有選擇性和能夠監(jiān)視融合全過程等。

        2.3.3激光操縱生物拉子

        運(yùn)轉(zhuǎn)于基模的激光器輸出的高斯光束存在一個非常高的強(qiáng)度梯度,它可以產(chǎn)生巨大的梯度力,此力可在光軸焦點(diǎn)附近形成一個三維光學(xué)勢阱,利用此激光勢阱可以成功地捕獲微小的宏觀粒子,以后所能捕獲的粒子越來越小,目前已做到可將鈉原子的運(yùn)動速度從600米/秒冷卻到平均速度近似為零,因而有人設(shè)想利用激光的這種特性來捕獲單個的生物細(xì)胞,并進(jìn)行無損傷的操作。

        生物體對于并紅外輻射來說是相對透明的,人們用1.06微米的紅外激光在實(shí)驗(yàn)中觀察到了被捕獲的大腸桿菌和酵母細(xì)胞的繁殖,后來又可使兩束激光成功地抓住桿菌的兩端,并使其轉(zhuǎn)動,199。年,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)也在國內(nèi)首次成功地捕獲了懸浮于水中的脂肪小球(3~5微米)、某些細(xì)菌(紅葡萄球菌)和原生小動物(鞭毛蟲等),他們不僅使被捕獲的生物粒子保持在勢阱中幾十秒鐘而未被損傷,并且做到了鉗住粒子慢速平移,使細(xì)胞與其群體分離,實(shí)現(xiàn)了對生物粒子的操縱。

        
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