钱永健——荧光的奇迹

2008年10月8日,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,下村修、马丁·查尔菲与钱永健三人“因为发现和应用绿色荧光蛋白而共同获得2008年诺贝尔化学奖”。     

聚集诱导发光研究的新进展

传统思维的束缚和认知水平的局限往往阻碍了科学正常的发展和人类对未知世界的探索. “地心说” 造成科学家对宇宙探索步伐的极大减速, 以及“生命力学说”对有机化学发展的阻碍, 生动地诠释了这一点. 而原始的创新往往需要打破传统的观念和固有的思维模式.
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无孔反相色谱填料对高负载整体蛋白的高速和高分离度分离

提出了一个用无孔色谱填料实现高分离度、高速和高样品负载(三高)分离整体蛋白的新方法. 把颗粒直径1.0 μm 无孔填料装填在直径远大于其厚度的色谱饼中, 用该色谱饼完全分离 1.0 和40 μg 的7 种标准蛋白, 还基本上完全分离了总量为0.5 mg 的这7 种蛋白, 同时达到了该 “三高”目标. 这项研究极大地扩展了用无孔填料分离整体蛋白的应用范围. 如果减小色谱饼体积, 使用粒径更小的无孔色谱填料, 那么预计会取得更好的“三高”效果和在蛋白质组学中整体蛋白的分离发挥重要的作用.     

从外面就能看到发光的小鼠大脑

正很长一段时间以来,水母或萤火虫体内的生物发光分子被广泛应用在科学领域,帮助科学家在活体动物体内标记特定的细胞。这些生物发光分子可以让被标记的细胞发光,科学家也就能观察被标记细胞的活动。然而,以前的生物发光分子发出的光不足以穿透厚厚的组织,相机也就无法直接捕捉到这些生物荧光。最近,日本科学家合成出一种新的生物发光分子,其产生的光的亮度是天然生物发光分子的     

三峡古文化衰退、调适及转型的原因分析

长江三峡地区的古文化经历了大溪文化高潮后,于5 000 BP(BP为距今年代)前后开始衰退(东部显著),且在4 000 BP后发生全面衰退,该衰退现象恰好对应区域气候由稳定向不稳定的转型过程。气候转型中,其不稳定性增强,大溪文化期表现突出的原始种植业成分基本从经济构成中退出,渔猎经济成分在这一时期占据了绝对优势,生业经济表现出与自然条件的高度依存关系。总体而言,在６ 000~２ 000 BP,三峡地区生业经济构成存在着由“渔猎-农耕”转型为“渔猎”,继而再转型为“渔猎-盐业”的演变特点,古文化内涵显现出“退中有进”“退中有转”的特征现象。这一方面反映出古文化环境感知和调适能力的提高,另一方面则仍烙有极为鲜明的地方自然环境适应性特征。     

纳微米沟槽型图案化表面“接触引导”现象及其细胞生理效应

材料表面的拓扑结构对细胞的多种行为及生理功能有着显著影响, 其中沟槽型图案由于能够使细胞产生“接触引导”而备受关注. 本文着重介绍了由该类图案引起的“接触引导”对细胞行为及生理功能影响的研究进展. 所涉及到的内容主要包括影响该现象发生的因素及细胞行为变化和生理效应, 并讨论了“接触引导”发生的可能机制. 最后对该领域的研究趋势和潜在应用进行了展望.     

嫦娥一号探测器发现月球正面 “玉兔&rdquo|火山

月面白天日照情况下, 高海拔、高反照率地区反射阳光产生的辐射状光线, 会对其周围海拔低、地形变化缓慢、反照率低的地区带来显著的“灯下黑”照明效应的影响, 甚至把这些地区的地貌从光学波段 “隐藏” 起来. 利用嫦娥-1绕月探测器激光测高得到的地形DEM模型, 对比重力探测的历史结果, 在月球正面风暴洋西部(中心位于(14°N, 308°E)处), 从“灯下黑”区域新认证了一个直径约300 km, 高度约2 km的火山——暂时称为“玉兔”山. 还修正了“玉兔”山以北300 km左右的“桂树”火山三维地形. 该发现对研究月球正面演化过程有重要的参考价值.     

“人类基因组计划”回顾与展望：从基因组生物学到精准医学

“人类基因组计划”这个具有划时代意义的大科学计划已经完成10 年了。10 年来,基因组科学的发展形成了新的目标--精准医学。未来的生物医学基础和临床科学的发展就是要整合基因组生物学新前沿,运用新的概念和技术,不断积累临床资源,凝练大科学问题,规划和启动大科学项目,及时、有效地为全社会提供“从实验室到病床”、“从实验室到家庭和个人”的卫生与健康保障。     

书写时代的传奇

十年跋涉,历尽艰险,迄今速度最快的人类探测器“新视野”终于见到了“有心”的冥王星。匆匆一见之后,距地球超过52亿km的“小新”,如今已向更远的深空飞去,不再复返。“新视野”对冥王星的匆匆一瞥,要花掉7.2亿美元。这一长达数年的单程“约会”,究竟有多重要？1965年,也是在7月14日,“水手4号”探测器飞掠火星,成为人类探测器首次近距离观测另一星球。随后的50年间,人类探测器先后飞抵太阳系八大行星,而曾经的第九大行星冥王星却因距离遥远,从未迎来人类探测器。50年后的同一天,“新视野”飞抵冥王星,这简直比科幻作品还令人称奇。“新视野”的这一瞥,不仅让人类终于看全了太阳系原“九大行星”,更代表人类完成了行星际观测“第一阶段”的任务。项目首席科学家艾伦.斯特恩指出,长达半个世纪的努力,将“永远是我们这个时代的传奇”。     

嫦娥一号的初步科学成果

嫦娥一号卫星是中国发射的第一个月球轨道探测器,是中国月球探测工程“绕”、“落”、“回”发展战略的第一步。嫦娥一号卫星于２００７年１０月２４日在西昌卫星发射中心成功发射,２００９年３月１日受控落月于东经５２．３６度、南纬１．５０度的丰富海区域,在轨运行４９５天,比预期一年的工作寿命延长４个多月,一共取得了１．３７TB的原始科学探测数据。通过对这些科学探测数据的初步分析和应用研究,已经获得了包括“中国首次月球探测工程全月球影像图”等在内的一系列科学成果,为推动中国月球科学和天体化学的研究和后续月球探测工程的开展奠定了重要基础。     

基于惯性微流原理的微流控芯片用于血浆分离

血浆是临床生化检验中一类广泛使用的样品, 从全血中分离血浆是生命医学研究领域中一项非常重要的技术. 惯性微流(inertial microfluidics)原理的主要特点是无需施加任何外力如电磁力等, 仅依靠液体流动就可以在微通道内实现一定尺寸的微粒或细胞的聚焦流动. 本研究基于惯性微流原理, 设计并制备了具有不对称弯管结构通道的微流控芯片. 采用制备的荧光微球作为模型样品考察了装置的性能, 发现尺寸越大的微球保持惯性聚集流动的流速范围也越大. 在此基础上, 利用发展的芯片平台成功实现从稀释的血液样品中将血浆分离. 使用芯片对样品进行两次分离, 即二级分离后, 血液中血红细胞的分离效率超过90%. 该装置具有结构简单、体积小巧、操作方便等特点, 不仅可以快速分离血浆, 而且对血细胞基本无损, 易于作为功能模块与现有的一些芯片实验室(lab on a chip, LOC)系统集成结合.     

荧光磁性纳米粒子标记的小鼠胚胎干细胞靶向识别体内胃癌细胞

胃癌的早期诊断和治疗是提高胃癌患者预后的关键, 纳米技术和干细胞是继手术、化疗和放疗之外新兴的肿瘤治疗新技术. 制备了氨基化修饰的荧光磁性纳米粒子(FMNPs), 无滋养层培养了小鼠胚胎干细胞(mESCs), 体外实验评价了mESCs的条件培养基对胃癌细胞的影响, 并利用FMNPs标记mESCs制备了干细胞纳米探针(FMNPs-mESCs), 通过尾静脉注射进入荷瘤小鼠的体内, 利用小动物活体成像系统考察了FMNPs-mESCs靶向识别体内胃癌细胞的能力. 结果显示, 制备的FMNPs具有良好的荧光性能和磁响应性能, 在50 μg/mL的浓度范围内对mESCs具有良好的生物活性, mESCs的条件培养基对胃癌细胞具有显著的抑制增殖的作用, FMNPs标记的mESCs具有良好的荧光性能, 在注射进入荷瘤小鼠体内6 h后可以通过活体成像结果和离体器官的荧光成像结果观察到肿瘤组织有显著的荧光信号. 研究表明, FMNPs-mESCs具有特异靶向识别体内胃癌细胞的能力, 为利用胚胎干细胞治疗胃癌提出新的研究方向.     

基于NADH荧光的组织病理生理状态多参数在体监测与评价

组织病理生理状态的实时多参数评价, 无论在动物实验研究还是临床应用中均具有重要价值, 一直是生命科学与医学研究者们广泛关注的热点. 众所周知, 临床手术过程或重症监护病房中, 患者病理生理状态的实时监测是十分必需的. 心、脑等重要组织脏器是否处于缺血缺氧等危急状态直接关系到病人的存活与否; 早期发现术中和术后次要脏器的微循环障碍有助于提高器官移植等手术的成功率和降低术后并发症的发生率. 临床常规使用的监测指标, 如血压、心电、脉搏等, 在生命指征的实时评价中发挥了重要作用. 然而, 目前的常规指标尚不足以从分子水平反映局部组织病理生理状态的早期改变. NADH是细胞线粒体中氧化还原呼吸链上的内源性关键分子, 具有自发荧光性质, 可作为一项灵敏的内源性含氧状态指标来反映机体的代谢状态和细胞活力. 本文介绍了基于NADH自发荧光信号的细胞氧化还原状态在体监测方法, 从分子水平预警机体的活力情况, 结合微循环血流、血氧饱和度等多种生理参数的同步并行监测, 不仅可在活体动物体内进行疾病的病理生理学机制研究和新药的药效评价, 还有望应用于临床外科手术和重症监护病房, 为机体活力和生命指征的实时监护提供分子水平的动态信息. 目前, NADH荧光一维信号的获取技术发展最为成熟, 可实现从离体、活细胞、活体动物乃至临床水平的实时动态监测, 已处于临床推广应用阶段. 二维动态成像也已经发展到活体动物实验阶段. 三维成像由于受制于NADH荧光的穿透能力, 只能在冷冻组织切片上实现. 如何突破因高散射所致的荧光穿透能力受限的瓶颈, 最大限度地减少环境因素对荧光信号的干扰, 在分子水平实现组织病理生理状态的实时多参数评价, 是生物医学光子学领域面临的巨大挑战.     

光学超分辨荧光显微成像 ——2014年诺贝尔化学奖解析

超分辨成像显微镜的出现为现代生物医学研究提供了新的强有力的工具,将荧光显微镜的应用推到了新的高度。2014年诺贝尔化学奖授予了Eric Betzig、Stefan Hell以及William Moerner三位科学家,以表彰他们在“发展超高分辨荧光显微镜”上的贡献。他们的获奖肯定了化学生物物理多学科交叉对于当今前沿科技发展的重要性。本文主要介绍了超分辨荧光显微成像诞生的历史背景,以及各成像技术的发生发展过程,最后对此技术的未来发展做了展望。     

量子点的水相合成及其生物成像分析研究进展

半导体量子点具有宽的激发光谱、窄而对称的发射光谱、高的量子产率以及良好的光稳定性, 因而受到物理、化学、材料科学、生命科学等多个领域研究者的广泛关注. 与有机相合成法相比, 量子点的水相合成方法简单, 合成后不需要将量子点进行相转移, 是有机相合成的重要补充, 已经成为半导体量子点的重要合成方法之一. 本文介绍了量子点常用的一些水相合成方法, 如溶胶法、水热法、微波辅助法及微生物合成法. 在此基础上, 阐述了量子点在细胞成像分析及活体成像分析中的应用, 并对基于量子点的磁性荧光双功能纳米材料在成像分析中的应用及量子点生物毒理效应研究进行了简要的评述.     

不同尺寸二氧化硅纳米颗粒体内分布与代谢研究

基于二氧化硅荧光纳米颗粒(FSiNP)的荧光信号同步指示功能, 通过实时、原位活体荧光成像技术, 并结合离体器官成像、组织切片成像以及尿液荧光成像等方法, 系统地研究了不同尺寸二氧化硅荧光纳米颗粒在裸鼠活体内的分布与代谢. 活体成像结果表明纳米颗粒尺寸越小, 血液循环时间越长, 全身分布情况越明显, 随着时间的延长纳米颗粒逐渐聚集到肝脏、膀胱等部位; 通过离体器官成像和组织切片成像进一步证实了活体成像所观察到的结果. 同时, 肾脏组织切片以及尿液成像结果显示, 颗粒越小越容易通过泌尿系统排出体外. 研究结果为今后开展不同尺寸纳米颗粒材料在活体内的应用研究打下基础.     

三重态激子在不同荧光染料掺杂体系中的湮灭过程

室温下,在红色荧光染料掺杂的有机发光器件ITO/N,N′-bis(naphthalen-1-y)-N,N′-bis(phenyl)benzidine(NPB)/tris(8-hydroxyquinolato) aluminum (Alq3):4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran(DCM)/Alq3/LiF/Al中,观察到发光随外磁场的变化(即磁致发光)表现为刚开始的快速增加,在~50mT处达到最大后,随着磁场的进一步增加,又呈现出减弱的特点(即高场效应);而且,器件的掺杂浓度越高、所加偏压越大,该高场减弱就越明显.但在另一类绿色荧光染料5,12-dihydro-5,12-dimethylquino[2,3-b]acridine-7,14-dione(DMQA)的掺杂器件中,磁致发光的高场部分则是在~50mT后增加变缓并逐渐趋于饱和.分析结果表明,Frster能量转移过程占主导发射的DMQA掺杂器件,不利于染料分子上三重态激子的形成,从而,通过三重态激子对(triplet pairs)湮灭产生单重态激子(triplet-triplet annihilation,TTA)的过程不易发生;但在载流子陷阱效应参与发射的DCM掺杂器件中,室温下在染料分子上就可以形成寿命较长的三重态激子,增加了发生TTA过程的几率.因此,基于掺杂器件中两种不同的发射机制,外加磁场对有机发光中三重态激子对(T…T)的演化表现出了不同的调控作用.     

上转换发光纳米材料在生物成像中应用的研究进展

稀土上转换发光纳米材料是一类利用近红外光激发而短波长发射的荧光材料, 因其具有发光性质稳定、无光漂白现象、弱的生物样品损伤和高荧光信噪比等优点, 在荧光成像中可弥补传统荧光标记材料的不足而发挥重要作用. 本文重点介绍上转换发光纳米材料在生物成像中应用的进展.     

绿色荧光蛋白研究的三个里程碑——2008年诺贝尔化学奖简介

2008年10月8日,美国科学家下村修、马丁•查尔非以及钱永健因为在绿色荧光蛋白的发现以及改造方面的突出成就而获得2008年度诺贝尔化学奖。本文拟对绿色荧光蛋白的研究历程以及应用领域做一些粗浅介绍。     

RNA聚合酶动态调控DNA转录的单分子水平研究进展

真核生物的RNA聚合酶Ⅱ(Pol Ⅱ)和原核生物的RNA聚合酶(RNAP)主要负责转录合成信使RNA(mRNA)，调控不同基因的转录水平，以调节生物体的生长发育和应对复杂多变的环境。研究者采用传统的荧光显微镜观测到RNAP可形成团簇，据此针对DNA转录调控提出“转录工厂”模型。随着单分子技术的发展，研究者在单分子水平上观测到了活细胞中RNAP动态调控DNA转录，提出RNAP可以通过液-液相分离机制进行转录调控。该综述总结了不同单分子荧光显微镜的技术原理，以及相关的荧光探针标记方法，并介绍了在真核生物和原核生物中应用单分子成像技术可视化RNA聚合酶动态调控DNA转录过程的研究进展，最后展望了单分子技术在转录调控研究中的应用前景。