标题：美科学家研制出世界上第一束生物激光

美科学家研制出世界上第一束生物激光
未来可用于光基疗法与细胞和机体组织研究

这张显微镜图像展示了从一个单一生物细胞中释放的绿色激光。
（图片提供：Malte Gather）

作为光通信、数据存储，以及其他许多现代技术的核心，激光通常是由无生命的固体、液体或气体所产生的。如今，两位美国科学家研制出了世界上第一束生物激光。以一个单细胞为基础，有朝一日，生物激光或许能够用于光基疗法，进而杀死位于身体内部的癌细胞。

50多年前发明的激光在本质上是一个光放大器。它通过用电、化学方法或另一束激光将气体、液体或固体中的原子或分子“激发”到一个更高的能级来进行操作。一旦激发，“受激”原子中的一个将最终衰变并释放出一个光子，而这个光子将开始撞击其他激发态的原子，并在这一过程中释放出新光子的“洪流”。这些光子通过在两个镜面之间来回反弹而进一步放大它们的数量。其中一个镜面只有部分镀银，以便让一些光线能够以典型的聚焦束的形式释放出去。

美国波士顿市哈佛医学院的物理学家Malte Gather和Seok-Hyun Yun如今解决了如何在一个活体细胞中复制这一过程的问题。“我们在工作的开始着眼于生物激光的动机在很大程度上是一种科学好奇心。”Gather说，“去年恰逢激光诞生50周年。我们意识到，尽管人们用许多不同类型的材料制造激光，但生物学物质却从未扮演过一个重要角色。”

Gather和Yun的生物激光的关键是绿色荧光蛋白（GFP）——自从这种分子于上世纪60年代早期在水母（Aequorea victoria）体内被发现以来，它不断被证明对生物学家是非常有用的，这部分缘于活体细胞通过生物程序能够很容易地合成这种分子。Gather和Yun用源自人体肾脏的细胞完成了这一过程，并加入了用于编码GFP的脱氧核糖核酸（DNA）。研究人员随后将一些产生了GFP的细胞置于两面镜子之间——它们的距离仅仅相当于一个细胞的宽度，即只有约20微米。

为了发出激光，细胞中的GFP需要被另一束激光——约1毫微焦耳的低能蓝光脉冲——所激发。通常情况下，蓝光只能够使GFP在细胞中发出荧光，也就是说，随机向所有方向发光。但是在紧密的光学共振腔内，光线被来回反弹，将GFP的发射放大为一束连贯的绿光。虽然这种激光很微弱，但能被清晰地探测到，而用于生成激光的这个细胞仍然存活。研究人员在6月12日的《自然—光子学》杂志网络版上报告了这一研究成果。

美国马里兰州巴尔的摩市约翰·霍普金斯大学的材料科学家Qingdong Zheng推测，这种生物激光能够在新型传感器或光基治疗中找到应用，例如，这种激光的使用通过使已有药物产生反应从而杀死癌细胞。他说：“这是一项很棒的工作。”

Gather和Yun也对自己的这种装置在治疗上的发展潜力很感兴趣。尽管生物激光尚处于研发的最早期阶段，但他们预测，从长远来看，它可能有助于光通信的主干从无生命的电子设备向生物技术转移。Gather表示，这将使开发直接的人机界面变得更为容易——即大脑的神经细胞用闪烁的激光作为其运作信号，从而能够被一个外部设备捕捉到。例如，这样的装置将使得残疾人能够在没有鼠标或键盘的情况下使用计算机。

对于这项成果的应用前景，研究人员提出了几种可能。首先，由于不同的细胞结构所产生的激光在光学性质上有差异，可以通过分析最后得到的光，来研究细胞和机体组织；第二，目前医学上有一种光基疗法，可把对光敏感的药物送到要医治的机体部位，然后用光照来激发药效，如果在这种疗法中能用上“细胞激光器”，也许可以增进疗效。

不过研究人员也表示，要完全实现在机体组织内部产生激光，还要解决一个问题，即如何在机体组织内形成一个光学共振腔，而不是像本次研究那样利用外部的两面小镜子。

但或许生物激光最迷人的方面来自于其本质上是活体的特性。在传统类型的激光中，产生激光的介质会随着时间而退化，直至停止工作。然而，对生物激光而言，细胞能够持续合成新的GFP。Gather说：“我们或许能够制造可自我修复的激光。 ” (赵路)
 
来源：http://news.sciencenet.cn/dz/dznews_photo.aspx?id=11777

"活"的激光 "活体激光"将会在未来大展身手(图)

　　马尔 特·加瑟（Malte Gather）和尹贤锡（Seok Hyun Yun）目前供职于麻省总医院。两人表示，进行这项研究的部分原因是科学上的好奇。他们注意到，以前的科学家都盘算着用没有生命的材料制造激光，而且自然界里似乎从未产生过激光：“我们想知道这是为什么？我们想知道，有没有可能制造出完全基于生物的激光？”一试之下还真的成功了。他们的结果不久前发表在了《自然·光子学》的网络版上。

　　想法新颖，步骤简单

　　“激光”的原理是“受激辐射”理论。该理论认为，原子周围的电子分布在不同的能级上，高能级上的电子在受到某种光子的激发后会跃迁到低能级，同时向外发射出光子，而且发射光比入射光的强度更大。这种“弱光激发强光”的现象就叫做“激光”。激光是一种相干光，也就是说，只包含一种波长和频率的光子。

　　制造激光器需要两个部件：一是所谓的“增益介质”，它的作用就是吸收外部能量，使原子或分子处于“激励状态”并发射出光子；二是由一系列镜子构成的“谐振腔”。自人类发现激光以来，多数激光器都使用半导体、晶体或者气体作为增益介质。如果要制造生物激光，就必须找到一种能够吸收并放射出光线的有机物。加瑟和尹贤锡将目光瞄准了在生物研究中广泛应用的绿色莹光蛋白（GFP）。

　　20 世纪60 年代，日本生物学家下村修率先从一种莹光水母的体内提取出了绿色莹光蛋白以及制造这种蛋白的基因。从那以后，GFP就在生物学家中流行开来，他们将它植入要研究的生物体内，当作是看清其内部情况的“探照灯”。因为这个发现，下村修在2008年获得了诺贝尔生物学奖。后来随着基因技术的进步，科学家又发现了一个事实：无论是细菌还是高级哺乳动物，几乎任何有机体的细胞在进行基因重组之后，都能具备产生GFP的功能。

　　作为光源，GFP具有一个与众不同的特点：普通光源发出的光线总是包含不同波长、不同频率的光子微粒；而GFP 释放出的却是彼此完全相同的绿色光子微粒，也就是说，它能发出“纯”的光线，只要将这种光线汇成一束，就是现成的激光了。正是GFP的这个特性，让加瑟和尹贤锡决定从它下手进行实验。

　　他们的实验说来并不复杂：先用一个加强的GFP基因重组了一些人类胚胎肾细胞，使其能够产生GFP。接着，他们将这些细胞放入一个长一英寸的圆柱形容器内，并在容器两端放置了两面相距 20 微米的镜子，构成了一个谐振腔。然后，他们就向容器内发射了一束蓝色的光脉冲。容器中的细胞不断吸收着来自外部的光线，几分钟后，它就开始发出了绿光。这道绿光经过容器两头镜子的增强、形成相干光。就这样，世界上的第一束生物激光产生了。

　　尹贤锡表示，和传统的激光相比，这束细胞产生的激光十分微弱，但是已经比水母在自然条件下发出的莹光强了好几个数量级。

　　随着观察的深入，两位研究者发现这些细胞有着传统的增益介质所无法比拟的优势：传统介质在产生激光的过程中难免产生损耗，然而，这些细胞却在使用过程中不断地产生GFP，也就是说，这是一种能够自我修复的激光器。

    性质独特，前景广阔

　　两位研究者承认，由细胞产生的激光强度太低，不可能取代工业激光切割钢板，但他们同时指出，这种“活体激光”在未来的医疗领域中有机会大展身手。比如，有些疗法（如光动力学治疗）需要依靠外部激光来让患者服下的药物发挥药性，有了活体激光之后，细胞就能在患者体内发射激光，从而更精确地激发药性、提高疗效。

　　除此之外，生物激光还具有成像的功能。加瑟告诉我们，由细胞产生的激光会投射出复杂的图案，而不是像激光笔那样的一个圆形光点。而且，那些图案似乎还反映了细胞内部的形态和结构、携带着细胞本身的信息。假以时日，这个特性或许就能用来研发出一套精确的成像技术，生物学家要研究某些细胞，只需将它们“激光化”即可。

　　已经有不少专家对这项研究表示了赞赏，认为它富于趣味，也富于创意。加州大学的生物医学工程师迈克尔·伯恩斯（Michael Berns）就说：“我研究细胞和激光都超过40 年了，从来没想到还能这么干。”但是他也表示，新技术可能只适合研究单个细胞，投入医疗尚不可行。

　　加瑟和尹贤锡却似乎信心十足，他们的下一步计划是在这些细胞中植入微小的镜子，将单个细胞改造成完整的谐振腔。如果可能的话，他们还打算进一步改造细胞的基因，使其本身就能发出蓝光，再转化成绿色激光，届时，单个细胞就变成一台完整的激光器了。有人甚至认为，活体激光还能用来在生物体内实现光学通信和计算，从而取代一部分电子元件的功能。如果这些前景都能一一实现，那么人类就将步入生物激光的崭新时代了。

来源： http://www.ce.cn/xwzx/kj/201106/30/t20110630_22513347.shtml