美科學(xué)家研制出世界上第一束生物激光

這張顯微鏡圖像展示了從一個(gè)單一生物細(xì)胞中釋放的綠色激光。
　　作為光通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以及其他許多現(xiàn)代技術(shù)的核心，激光通常是由無(wú)生命的固體、液體或氣體所產(chǎn)生的。如今，兩位美國(guó)科學(xué)家研制出了世界上第一束生物激光。以一個(gè)單細(xì)胞為基礎(chǔ)，有朝一日，生物激光或許能夠用于光基療法，進(jìn)而殺死位于身體內(nèi)部的癌細(xì)胞。
　　50多年前發(fā)明的激光在本質(zhì)上是一個(gè)光放大器。它通過(guò)用電、化學(xué)方法或另一束激光將氣體、液體或固體中的原子或分子“激發(fā)”到一個(gè)更高的能級(jí)來(lái)進(jìn)行操作。一旦激發(fā)，“受激”原子中的一個(gè)將最終衰變并釋放出一個(gè)光子，而這個(gè)光子將開(kāi)始撞擊其他激發(fā)態(tài)的原子，并在這一過(guò)程中釋放出新光子的“洪流”。這些光子通過(guò)在兩個(gè)鏡面之間來(lái)回反彈而進(jìn)一步放大它們的數(shù)量。其中一個(gè)鏡面只有部分鍍銀，以便讓一些光線能夠以典型的聚焦束的形式釋放出去。
　　美國(guó)波士頓市哈佛醫(yī)學(xué)院的物理學(xué)家Malte Gather和Seok-Hyun Yun如今解決了如何在一個(gè)活體細(xì)胞中復(fù)制這一過(guò)程的問(wèn)題。“我們?cè)诠ぷ鞯拈_(kāi)始著眼于生物激光的動(dòng)機(jī)在很大程度上是一種科學(xué)好奇心。”Gather說(shuō)，“去年恰逢激光誕生50周年。我們意識(shí)到，盡管人們用許多不同類型的材料制造激光，但生物學(xué)物質(zhì)卻從未扮演過(guò)一個(gè)重要角色。”
　　Gather和Yun的生物激光的關(guān)鍵是綠色熒光蛋白（GFP）——自從這種分子于上世紀(jì)60年代早期在水母（Aequorea victoria）體內(nèi)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，它不斷被證明對(duì)生物學(xué)家是非常有用的，這部分緣于活體細(xì)胞通過(guò)生物程序能夠很容易地合成這種分子。Gather和Yun用源自人體腎臟的細(xì)胞完成了這一過(guò)程，并加入了用于編碼GFP的脫氧核糖核酸（DNA）。研究人員隨后將一些產(chǎn)生了GFP的細(xì)胞置于兩面鏡子之間——它們的距離僅僅相當(dāng)于一個(gè)細(xì)胞的寬度，即只有約20微米。
　　為了發(fā)出激光，細(xì)胞中的GFP需要被另一束激光——約1毫微焦耳的低能藍(lán)光脈沖——所激發(fā)。通常情況下，藍(lán)光只能夠使GFP在細(xì)胞中發(fā)出熒光，也就是說(shuō)，隨機(jī)向所有方向發(fā)光。但是在緊密的光學(xué)共振腔內(nèi)，光線被來(lái)回反彈，將GFP的發(fā)射放大為一束連貫的綠光。雖然這種激光很微弱，但能被清晰地探測(cè)到，而用于生成激光的這個(gè)細(xì)胞仍然存活。研究人員在6月12日的《自然—光子學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版上報(bào)告了這一研究成果。
　　美國(guó)馬里蘭州巴爾的摩市約翰·霍普金斯大學(xué)的材料科學(xué)家Qingdong Zheng推測(cè)，這種生物激光能夠在新型傳感器或光基治療中找到應(yīng)用，例如，這種激光的使用通過(guò)使已有藥物產(chǎn)生反應(yīng)從而殺死癌細(xì)胞。他說(shuō)：“這是一項(xiàng)很棒的工作。”
　　Gather和Yun也對(duì)自己的這種裝置在治療上的發(fā)展?jié)摿芨信d趣。盡管生物激光尚處于研發(fā)的最早期階段，但他們預(yù)測(cè)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它可能有助于光通信的主干從無(wú)生命的電子設(shè)備向生物技術(shù)轉(zhuǎn)移。Gather表示，這將使開(kāi)發(fā)直接的人機(jī)界面變得更為容易——即大腦的神經(jīng)細(xì)胞用閃爍的激光作為其運(yùn)作信號(hào)，從而能夠被一個(gè)外部設(shè)備捕捉到。例如，這樣的裝置將使得殘疾人能夠在沒(méi)有鼠標(biāo)或鍵盤的情況下使用計(jì)算機(jī)。
　　對(duì)于這項(xiàng)成果的應(yīng)用前景，研究人員提出了幾種可能。首先，由于不同的細(xì)胞結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的激光在光學(xué)性質(zhì)上有差異，可以通過(guò)分析最后得到的光，來(lái)研究細(xì)胞和機(jī)體組織；第二，目前醫(yī)學(xué)上有一種光基療法，可把對(duì)光敏感的藥物送到要醫(yī)治的機(jī)體部位，然后用光照來(lái)激發(fā)藥效，如果在這種療法中能用上“細(xì)胞激光器”，也許可以增進(jìn)療效。
　　不過(guò)研究人員也表示，要完全實(shí)現(xiàn)在機(jī)體組織內(nèi)部產(chǎn)生激光，還要解決一個(gè)問(wèn)題，即如何在機(jī)體組織內(nèi)形成一個(gè)光學(xué)共振腔，而不是像本次研究那樣利用外部的兩面小鏡子。
　　但或許生物激光最迷人的方面來(lái)自于其本質(zhì)上是活體的特性。在傳統(tǒng)類型的激光中，產(chǎn)生激光的介質(zhì)會(huì)隨著時(shí)間而退化，直至停止工作。然而，對(duì)生物激光而言，細(xì)胞能夠持續(xù)合成新的GFP。Gather說(shuō)：“我們或許能夠制造可自我修復(fù)的激光。”