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飞秒激光对细胞内离子调控研究取得进展

导读: 近日,天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室在飞秒激光对细胞内离子调控方面的工作取得了重大进展。

  近日,天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室在飞秒激光对细胞内离子调控方面的工作取得了重大进展,研究成果发表在国际顶级期刊Nature Photonics杂志(影响因子为29.2)上。这篇题为Manipulation of cellular light from green fluorescent protein by a femtosecond laser的论文(doi:10.1038/nphoton.2012.207,目前已经在线发表)报道了飞秒激光与人类癌细胞相互作用时一系列离子过程的变化,实验证明,这种离子变化是激光可控的,并且这种可控性可以对细胞内表达的绿色荧光蛋白在绿-红荧光转换中起到精确的调控作用。此项研究首次证实飞秒激光可以可控地定量地调节细胞内的多种离子,对于未来的光控细胞过程和疾病治疗具有重要价值。

  绿色荧光蛋白(GFP)是生命科学研究中一种非常重要的荧光蛋白,2008年,因为对GFP的发现和研究,钱永健等人获得了诺贝尔化学奖。一直以来,GFP被认为只能发出绿色荧光,且这种荧光仅会被它特有的激发蓝光在长期照射时漂白。超快激光研究室从2010年起在试图控制飞秒激光对细胞伤害的研究中发现,单次短时间曝光就会让GFP漂白。这个过程牵涉到很多细胞内复杂的离子过程,而这些过程却又是激光可控的。研究表明,一定参数的飞秒激光对细胞的刺激可以排空内质网上的钙存储,从而使得细胞膜上钙通道的打开。这是世界上首次实现了激光对于钙存储调控的钙通道(CRAC)的控制。在此基础上,进一步的研究表明,细胞内的钙浓度异常升高会导致活性氧自由基簇的升高,从而使得GFP被氧化漂白,这种漂白来自于GFP蛋白质结构发光基团的变化。

  当然这种漂白过程也可以用来对GFP荧光转换的控制。2010年,俄罗斯科学家发现GFP在极强的488 nm连续激光的扫描下会发生荧光转换为红色的过程。而超快激光研究室课题组经过大量的实验发现,波长在GFP荧光激发带中的激光都可以实现荧光转换。这种荧光转换的速度可以用飞秒激光产生的细胞内氧化性增强来调节。

  该工作是由天津大学精仪学院副教授贺号提出设想和实验框架,并与南开大学生命科学院曹又佳教授课题组一起合作完成,天津大学博士研究生王劭阳参与了相关的实验,胡明列教授和王清月教授为该项研究提供了指导并协助完成数据分析和论文撰写。哈佛大学的王文芹博士对该工作提出了很多宝贵意见。该工作得到了国家科技部973计划和自然科学基金委的资助。

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