单细胞分析技术：灵敏100倍的检测方法

随着对细胞生理研究的逐渐深入，科学家们开始解析单个细胞的行为，这是因为即使是同样的遗传物质，同样的周边环境，这些细胞还是会朝着不同的方向发展，有时还会生成不同的功能，而且单个细胞的变化还关系到癌症，神经疾病等疾病。

　　然而要分析单个细胞，却不是那么容易的事情，在基因表达分析中占据主要位置的DNA芯片这种分析方法，由于灵敏度不够，所以不足以发现单个细胞水平上的差异，但是从单个细胞中挑选少量RNAs，或者蛋白也不容易做到，而且如果还要分析细胞的动力学因素，那就不只是繁琐实验的问题，还需要物理学，机械学，和生物学的多方配合。

　　来自维吉尼亚州大学，伊利诺斯大学的研究人员在单细胞动力学研究方面就遇到了这种问题：细胞在移动过程（包括相互黏连，或者到细胞外基质中去）中需要借助分子力前进或者后退，研究人员希望能分析单个细胞中的这种机械力。

　　维吉尼亚州大学的Martin Schwartz教授研究组为此发明了一种传感器，这种生物传感器能在活体中测量蛋白所承受力，研究人员利用这一传感器发现了粘着斑蛋白承受力的奥秘。

　　细胞对物理力量做出响应的能力对于发育和生理来说都是根本性的，包括血液、细胞粘附和迁移的调控。难以对活体细胞中的分子力进行测量的难度限制了对此现象的研究。

　　新开发的这种传感器就是一种基因编码的荧光张力感应模块，该模块能够在活体中测量穿过特定蛋白的机械力。研究人员利用这种传感器对粘着斑蛋白进行了测试——粘着斑蛋白是一种膜-细胞骨架蛋白，它被吸引到粘着斑上，并将细胞粘附分子（整合素）与肌动蛋白细丝相连。结果他们发现粘着斑蛋白承受力的能力决定粘着斑在力的作用下是整合还是分解。

　　这种新型生物传感器应能应用于力传导中所涉及的其它蛋白，主要优点就是能精确的分析涉及的机械力，而且灵敏度高，比一般方法的灵敏度至少高100倍，也能用于检测细胞膜表面变形情况。缺点就是蛋白接触传感器会改变蛋白的功能，因此研究人员需要花费较多的时候尝试。

　　另外一个方面，来自伊利诺斯大学Taekjip Ha教授则利用了单分子荧光共振能量转移技术（FRET）分析了DNA解链酶的运动过程，他们将两种染料分别连接到单链DNA的两个末端，从而能直接观察到DNA链的作用方式，结果研究人员发现这两种染料能相互靠近，然后又分开，这样重复，其中PcrA螺旋酶并没有沿着单链尾部移动，而是与DNA链断裂端结合，拉动DNA使之与结合蛋白分离。当这一过程结束的时候，PcrA就会松开。

　　这里运用到的单分子荧光技术实际上就是大家熟悉的单分子荧光共振能量转移技术，这种技术是指当两种不同的荧光生色团离的较近，且其中一种生色团（供体, donor）的发射谱与另一种生色团（受体, acceptor）的激发谱有相当程度的重叠时，当供体被激发时，受体会因供体激发能的转移而被激发。其直观表现就是供体产生的荧光强度较其单独存在时要低的多，而受体发射的荧光却大大增强，同时伴随它们荧光寿命的相应缩短和延长。

　　这种技术是目前研究蛋白质相互作用比较成熟、已被广泛应用的几种方法之一，而用于DNA与蛋白之间的相互作用关系研究则是近年来动态结构生物学研究领域关注的焦点。