http://www.physorg.com/news114707171.html
November 19, 2007
加州大學柏克萊分校的生物工程師發現一種技術，那首次能在一個活生生的細胞中觀察生物分子的動態反應。
藉由利用特徵頻率（signature frequency）的優勢，在此是有機與無機分子的吸收光，該團隊的研究者，由 Luke Lee 所領導，生物工程教授，同時也是 UCB 生物分子奈米技術中心主任，能在一個活生生的細胞內，即時測定是否有特定酵素被活化或特定基因被表現出來，這些全都具有史無前例的解析度。
這項技術，在 11/18 當期的 Nature Methods 上描述，將致使分子造影的新紀元來臨，能進行基於細胞之藥物發現與生物醫學診斷。
研究者指出，其他技術如核磁共振，能提供關於一群細胞的最佳資訊。不過要偵測疾病發展的早期階段跡象，或是幹細胞的增殖，就必須更深入至單一細胞內的分子動態。
為了要研究某一細胞的生物化學過程，科學家目前要切穿其外膜，以分離並分析細胞組成（components）。這種方法未曾能提供組成功能如何一同作用的即時觀察，因為細胞在取出其組成時就遭殺害。
"直到現在，都沒有非侵入性的方法存在，那能夠在一個活生生的細胞內以奈米等級的空間解析度，捕捉分子的化學指紋，" Lee 說，他也是柏克萊感應器與致動器（actuator） 中心的共同主持人。"某天幹細胞能用來治療疾病有很大的希望，不過最大的挑戰之一是這個領域正在確切了解個別細胞有何差異性。當幹細胞發展成心肌而非牙齒或一股頭髮時，內部發生了什麼事？為了要找出來，我們需要在一個細胞內的蛋白質與基因功能被觸發時，能洩露詳情的化學訊號。"
研究者藉由改善傳統光學的吸收光譜學（absorption spectroscopy）來對付這項挑戰。吸收光譜學是種技術，光線會通過分子的溶液，以測定何種波長被吸收。例如，Cytochrome c（細胞色素 C），是種涉及細胞新陳代謝與細胞死亡的蛋白質，那在 550 奈米附近有數個光學吸收峰值。
一個分子的吸收光譜會依據化學上的改變而改變，而化學改變通常發生在它與其他分子的互動時，例如氧。
"為了讓傳統光學的吸收光譜學能起作用，一堆濃度相對較高的生物分子與大量的溶液是必需的，以便能夠偵測頻率與吸收峰值中的微妙變化，" Lee 說。"那是因為來自於單一生物分子的光學吸收訊號相當微弱，所以你需要殺死數百萬個細胞，以捕獲足夠數量的目標分子來進行偵測。"
研究者對此問題想出一種新奇的解決方法：將生物分子，在此研究中是 cytochrome c 蛋白質，與微小的金粒子耦合（大小約 20-30 奈米長）。目前已知金屬粒子（如黃金與銀）表面的電子，對光線產生回應時會在特定頻率上振盪，這種現象稱為電漿子共振（plasmon resonance）。金奈米粒子的共振頻率比 cytochrome c 微弱的光學訊號更容易偵測，給研究者一個更容易的目標。
之所以選擇金奈米粒子是因為它們的電漿子共振波長在 530 - 580 奈米之間，與 cytochrome c 的吸收峰值相符。
"當生物分子的吸收峰值與金粒子電漿子共振頻率相重疊時，你能夠看見它們是否在交換能量，" 該研究的共同作者 Gang Logan Liu 說，當他還是UCB 生物工程的博士生時，進行這項研究。"這種能量轉移會以小傾斜（dips）顯示，有時我們稱為，在金粒子特徵吸收峰值的「猝滅（quenching，譯註：http://203.72.198.245/web/Content.asp?ID=44076&Query=3）」。"
要創造這些猝滅傾斜（quenching dips），只需濃度相對較小的分子，所以並不用集中幾百萬個分子，研究者就能以幾百個或甚至幾十個分子辦到。猝滅傾斜的敏感性與選擇性，將改善疾病的分子診斷，而且對於個人化藥物的開發有所幫助，研究者說。
研究者重複這項實驗，將血紅素蛋白質與銀奈米粒子相配，並獲致相似結果。
"我們的技術可謂一石二鳥，" Lee 說。"我們降低了同時偵測分子所需的空間解析度，在分子還在活細胞當中的同時，我們能夠取得其化學資訊。在某種程度上，這些金粒子就好像「奈米星星」，因為它們照亮「細胞銀河」內的生命。"
※ 相關報導：
＊ Quantized plasmon quenching dips nanospectroscopy via plasmon resonance energy transfer
http://www.nature.com/nmeth/journal/vaop/ncurrent/abs/nmeth1133.html
Gang Logan Liu, Yi-Tao Long, Yeonho Choi, Taewook Kang & Luke P Lee＊ MIT 創造活細胞的 3D 影像
Nature Methods Published online: 18 November 2007;
doi:10.1038/nmeth1133
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