單細胞分析技術：靈敏100倍的檢測方法

隨著對細胞生理研究的逐漸深入，科學家們開始解析單個細胞的行為，這是因為即使是同樣的遺傳物質，同樣的周邊環境，這些細胞還是會朝著不同的方向發展，有時還會生成不同的功能，而且單個細胞的變化還關系到癌癥，神經疾病等疾病。

然而要分析單個細胞，卻不是那么容易的事情，在基因表達分析中占據主要位置的DNA芯片這種分析方法，由于靈敏度不夠，所以不足以發現單個細胞水平上的差異，但是從單個細胞中挑選少量RNAs，或者蛋白也不容易做到，而且如果還要分析細胞的動力學因素，那就不只是繁瑣實驗的問題，還需要物理學，機械學，和生物學的多方配合。

來自維吉尼亞州大學，伊利諾斯大學的研究人員在單細胞動力學研究方面就遇到了這種問題：細胞在移動過程（包括相互黏連，或者到細胞外基質中去）中需要借助分子力前進或者后退，研究人員希望能分析單個細胞中的這種機械力。

維吉尼亞州大學的Martin Schwartz教授研究組為此發明了一種傳感器，這種生物傳感器能在活體中測量蛋白所承受力，研究人員利用這一傳感器發現了粘著斑蛋白承受力的奧秘。

細胞對物理力量做出響應的能力對于發育和生理來說都是根本性的，包括血液、細胞粘附和遷移的調控。難以對活體細胞中的分子力進行測量的難度限制了對此現象的研究。

新開發的這種傳感器就是一種基因編碼的熒光張力感應模塊，該模塊能夠在活體中測量穿過特定蛋白的機械力。研究人員利用這種傳感器對粘著斑蛋白進行了測試——粘著斑蛋白是一種膜-細胞骨架蛋白，它被吸引到粘著斑上，并將細胞粘附分子（整合素）與肌動蛋白細絲相連。結果他們發現粘著斑蛋白承受力的能力決定粘著斑在力的作用下是整合還是分解。

這種新型生物傳感器應能應用于力傳導中所涉及的其它蛋白，主要優點就是能的分析涉及的機械力，而且靈敏度高，比一般方法的靈敏度至少高100倍，也能用于檢測細胞膜表面變形情況。缺點就是蛋白接觸傳感器會改變蛋白的功能，因此研究人員需要花費較多的時候嘗試。

另外一個方面，來自伊利諾斯大學Taekjip Ha教授則利用了單分子熒光共振能量轉移技術（FRET）分析了DNA解鏈酶的運動過程，他們將兩種染料分別連接到單鏈DNA的兩個末端，從而能直接觀察到DNA鏈的作用方式，結果研究人員發現這兩種染料能相互靠近，然后又分開，這樣重復，其中PcrA螺旋酶并沒有沿著單鏈尾部移動，而是與DNA鏈斷裂端結合，拉動DNA使之與結合蛋白分離。當這一過程結束的時候，PcrA就會松開。

這里運用到的單分子熒光技術實際上就是大家熟悉的單分子熒光共振能量轉移技術，這種技術是指當兩種不同的熒光生色團離的較近，且其中一種生色團（供體, donor）的發射譜與另一種生色團（受體, acceptor）的激發譜有相當程度的重疊時，當供體被激發時，受體會因供體激發能的轉移而被激發。其直觀表現就是供體產生的熒光強度較其單獨存在時要低的多，而受體發射的熒光卻大大增強，同時伴隨它們熒光壽命的相應縮短和延長。

這種技術是目前研究蛋白質相互作用比較成熟、已被廣泛應用的幾種方法之一，而用于DNA與蛋白之間的相互作用關系研究則是近年來動態結構生物學研究領域關注的焦點。

上海豐翔生物