Only Perception: 綠螢光蛋白成為「單細胞生物雷射」的基礎

2011-06-13

綠螢光蛋白成為「單細胞生物雷射」的基礎

Single Green Fluorescent Protein-expressing cell is basis of living laser device
http://www.physorg.com/news/2011-06-green-fluorescent-protein-expressing-cell-basis.html

June 12, 2011

那聽起來像是某種出自漫畫或科幻電影的東西 -- 活生生的雷射（living laser） -- 但這正是二位在麻州總醫院（MGH） Wellman 光醫學中心（Wellman Center for Photomedicine）的研究者已經開發出來的東西。在一篇即將刊載於 Nature Photonics 期刊的報告中，Wellman 研究者 Malte Gather, PhD 與 Seok Hyun Yun, PhD 描述，透過基因改造表現出綠螢光蛋白（green fluorescent protein，GFP）的單一細胞，如何能用來擴大光子，成為一奈秒長的雷射光脈衝。

"自雷射約在 50 年前首度被開發以來，它一直把合成材料，例如結晶體、染料與純化玻璃，當成光增益媒介（optical gain media）使用，而光子脈衝在兩面鏡子的來回反彈中被擴大，" Yun 說，該報告通訊作者。"我們的報告是基於單個活細胞之生物雷射的首例成功報告。"

Gather（研究員，第一作者）補充，"此計畫的部份動機是基礎科學的好奇心。除了明白生物基質尚未在雷射當中扮演主要角色之外，我們也對於下面這些問題的根本原因感到納悶：雷射光為何不存在自然界中（就我們所知），又或著我們是否能找到某種方法在生物基質或在活生物體中造就雷射效應（lasing）。"

研究者為探索他們的問題而選擇了 GFP，因為這種蛋白 -- 最初在某種水母物種內被發現 -- 能在沒有添加額外酵素的情況下被誘導發光。其特性已充分了解，而且已建立起相關技術，透過基因上的編程，讓許多生物體表現出 GFP。為了測定這種蛋白質產生雷射光的潛力，研究者首先組裝一個包含一英寸長圓柱體的裝置，該圓柱體二端均有鏡子，並裝滿 GFP 水溶液。首先確認 GFP 水溶液能將輸入能量擴大成短暫的雷射光脈衝後，研究者估計出產生雷射效應所需要的 GFP 濃度。

利用該資訊，他們接著開發出表現出所需 GFP 濃度的某種哺乳類動物細胞株。這種「細胞雷射」的組裝是將一個表現出 GFP 的細胞（直徑約 15 - 20 微米）置於微共振腔（microcavity）內，那包含二面分開 20 微米的高反射（率）鏡子。這種基於細胞的裝置，不僅如同在 GFP 溶液實驗中那樣製造出雷射光脈衝，研究者也發現球形細胞本身就像是一個透鏡，使光線重新聚焦，並在低於溶液裝置所需能量層級下，誘使雷射光發射。此裝置所用的細胞能在雷射效應過程中存活而且能持續產生數百次雷射光脈衝。

"雖然個別的雷射脈衝只維持了幾奈秒，但它們的亮度足以輕易被偵測，且顯然攜帶非常有用的資訊，也許那賦予我們幾乎是即刻分析大量細胞特性的新方法，" Yun 說，他是哈佛醫學院皮膚科副教授。"而能從置於病患體內的生物相容性光源產生雷射光，可能有助於光動力（photodynamic）療法，在其中，藥物是藉由光或新型造影的應用而被活化。"

Gather 補充，"我們的長期目標之一是尋找將光學通訊與運算帶向生技領域的方法（那目前是以沒有生命的電子裝置辦到）。那對於需要將電子裝置與生物性生物體接合的計畫來說格外有用。我們也希望能將某種相當於鏡射腔（mirrored chamber）的結構植入細胞內，那將是此研究的下一個里程碑。" 這項研究由 NSF 與 Korea National Research Foundation 所資助。

※ 相關報導：

＊ Single-cell biological lasers
http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2011.99