活细胞里“夹”出单分子的纳米镊 | 老爸发Nature子刊，俩宝忙视频配音
纳米科技
作者：X-MOL
2018-12-25
随着生命科学的发展，我们对于细胞功能的认识越来越深入，越来越多的研究手段被开发出来用于从蛋白、核酸等层面去解读细胞的方方面面，但是当我们面对那些需要从单细胞的角度去理解的科学问题时，可用的方法却仍然捉襟见肘。2018年诺贝尔物理学奖得主Arthur Ashkin，最重要的工作之一就是创造了“光镊（optical tweezers）”并在生物系统中获得广泛应用（点击阅读相关）。在光镊中，激光将微小粒子推向光束中心，并随后进行固定。无论光镊还是现有其他细胞技术还很难区别那些种类相同但个体功能与组成差异比较大的细胞，比如脑细胞、肌肉细胞、脂肪细胞。如何在不破坏这些细胞的前提下，解析单个细胞的功能，将外观类似的细胞区分开，是一个意义深远又极具挑战的课题。
伦敦帝国理工学院的Joshua B. Edel教授和Aleksandar P. Ivanov博士领导的团队近期开发的一项新颖的“纳米镊”技术，使得研究者能够从单个活细胞中的预定区域提取样品而不破坏细胞，取样精确度可达单分子级别。也就是说，这种技术在细胞内的“取样活检”对象可以是线粒体这样的细胞器，也可以是单个蛋白质、RNA、DNA分子。这种纳米镊由两个间隔很小（10-20 nm）的微电极组成，基于介电电泳（dielectrophoresis）原理捕获DNA和蛋白质。使用这种技术，可以实现对单个活细胞的实时分析，有希望为单细胞分析技术带来巨大进步。相关论文发表在Nature Nanotechnology 上。
Joshua Edel教授。图片来源：Imperial College London
研究者用激光熔拉法处理石英毛细管，得到一个有“双筒”结构的主体，然后用热解法在其的尖端沉淀一层碳材料。尖端的直径小于50 nm，并且由于主体是双筒结构的，其间有一个10-20 nm的石英间隙，间隙两边的碳材料具有导电性，形成了两个微电极。在交流电的作用下，纳米镊的尖端会产生类似介电电泳的现象，形成一个足够高的局域化电场，该电场对极化的分子产生强大的作用力，就能够在细胞中捕获并提取出目标分子或微粒。
纳米镊的原理以及TEM形貌表征。图片来源：Nat. Nanotech.
由于该镊子尺寸为纳米级，微电极的表面积与电极间距都是纳米级，因此能够在低电压下实现高电场强度（可达到1028 V2/m3），从而避免高电压带来的过热与产生气泡的问题。在这样的电场强度下，纳米镊周围300 nm空间范围内，大小在200 bp以内的双链DNA分子都能够很牢固地被捕获，并且通过调节交流电的频率与电压，被捕获的DNA分子的大小可以进行调节。很有趣的是，这一捕获的过程可以利用荧光显微镜进行观察。研究者用荧光染料YOYO-1对DNA分子进行标记，然后将纳米镊插入溶液中，当镊子通上交流电时，其尖端会出现强烈的荧光亮点，说明荧光标记的DNA分子在电场作用下被吸引到了镊子上，而撤掉交流电后这一亮点就会消失，说明DNA分子又重新分散到了溶液中。
纳米镊对YOYO-1荧光标记的DNA捕获效应的可视化表征。图片来源：Nat. Nanotech.
接下来，研究者将这一技术用在了活细胞上。通过类似显微注射的方法，未通电的镊子被插入细胞核中，然后通交流电吸引并提取出核酸分子，再用PCR对提取出来的分子进行检测。实验中可以观察到活细胞中用Hoechst染色的DNA分子在通电后会聚集到纳米镊的尖端，当镊子被拔出细胞后，这些DNA分子仍然聚集在镊子上。将镊子上的DNA溶解后，用荧光定量PCR检测，可以实现对核糖体DNA的高灵敏检测。类似地，也可以先用原位杂交在细胞中标记特定的mRNA，然后插入镊子将被标记的亮点吸取出来，再进行接下来的检测。通过这样在空间上可控的定点捕获再分析策略，能够为研究细胞中特定位置核酸的表达水平与种类变化提供依据。
用纳米镊在细胞质中捕获经原位杂交标记的mRNA（绿色荧光标记）。图片来源：Nat. Nanotech.
最后，通过调整电压与交流电频率，这一方法可以用来捕获细胞中的细胞器。研究者将纳米镊定向插入小鼠海马神经元的轴突，然后成功捕获了MitoTracker Green染色的线粒体。在用TMRM（一种用来标记线粒体活性的染料）对被取样出来的线粒体进行研究后发现，该线粒体的膜结构保持完整，可以用于下游的线粒体研究。这也表明纳米镊对于细胞器的研究将产生巨大的推动作用，要知道，当前的技术很难从细胞中直接获得完整的细胞器。
对神经元轴突中线粒体的捕获。图片来源：Nat. Nanotech.
总结来说，这种结构简单、操作方便的纳米镊能够在不破坏细胞的前提下，在单个活细胞中以极高空间特异性和精确度捕获并提取单个分子和单个完整细胞器，必将为单细胞分析技术带来革命性的变化。通过与其它各种各样的电化学技术结合，还有潜能扩大检测的分子种类，为生物医学领域的研究打开一片新的天地。正如Aleksandar Ivanov博士所说，“本方法将提供有力的工具来解答为什么同样种类的细胞会具有截然不同的功能”。[1]
最后，把在标题中提到的解读视频带给大家。风格稍微有点“皮”，更让笔者惊讶的是，为视频配音的两位——Benjy Edel和Sammy Edel——听起来像是小朋友，会不会是Edel教授家的孩子呢？
视频来源：Imperial College London
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Nanoscale tweezers for single-cell biopsies
Nat. Nanotech., 2018, DOI: 10.1038/s41565-018-0315-8
导师介绍
Joshua B. Edel
https://www.x-mol.com/university/faculty/2481
参考资料：
1. Nanoscale tweezers can perform single-molecule 'biopsies' on individual cells
https://www.imperial.ac.uk/news/189227/nanoscale-tweezers-perform-singlemolecule-biopsies-individual/
（本文由BingzzZ供稿）