活體細胞激光器在顯微鏡下運作的圖像
（激光光斑的隨機模式源于細胞不規(guī)則的內(nèi)部結(jié)構(gòu)）

這是科學家第一次用活體生物材料制作激光器：僅用到單個人體細胞和一些水母蛋白質(zhì)。


“激光器開始于物理學的研究，人們一直將其看成技術(shù)工藝器件”，激光物理學家Seok-Hyun Yun這樣說，“這是我們第一次使用生物材料搭建激光器并從這些活體組織得到激光”。哈佛大學醫(yī)學院和波士頓麻省總醫(yī)院研究員Seok-Hyun Yun和他的同僚Malte Gather開發(fā)了這個生物激光器，該成果發(fā)表于2011年6月12日的《自然光子學》雜志。

搭建一個激光器要求兩個條件：進行光放大的激光材料（即增益介質(zhì)）和反射鏡組成的光學諧振腔來形成能量集中的準直光束。直到現(xiàn)在，激光增益介質(zhì)一直都采用非生物物質(zhì)如摻入元素的晶體、半導(dǎo)體或氣體等材料。而文中研究者采用了增強型綠色熒光蛋白質(zhì)（GFP），這是一種使水母發(fā)光的物質(zhì)并已經(jīng)被廣泛用于細胞生物學進行熒光標記。

Yun的研究小組構(gòu)建人體胚胎細胞產(chǎn)生GFP，然后將單個細胞放置于兩個距離僅有20微米反射鏡形成的光學腔中。當他們用藍光激發(fā)細胞時，就會發(fā)出肉眼能見的準直激光，而且在此過程中細胞不會受到損傷。

據(jù)Yun介紹，與傳統(tǒng)激光器相比，這個生物激光器的光束“微小”而且亮度也“相當弱”，但這個“漂亮的綠色”亮度比水母熒光高一個數(shù)量級。

照亮生物學

對于怎么利用該技術(shù)，Yun和Gather有許多特別的想法。

他們建議生物學家將感興趣的細胞變成激光器進行研究。發(fā)射光特定的波長與細胞結(jié)構(gòu)和內(nèi)部蛋白質(zhì)有關(guān)。Yun說：“通過分析其光學模式，你可以得到一些想法知道細胞內(nèi)正在發(fā)生什么”。

他們也建議一些可能的醫(yī)學應(yīng)用。今天，醫(yī)生使用激光在體內(nèi)成像和輻射細胞治病。Yun認為激光可以在體內(nèi)產(chǎn)生和放大，這樣能夠在組織中穿透更深。

但更多的工作需要先解決，包括建立激光器使其能夠在實際的生物器官中工作。Yun設(shè)想將納米光學腔集成到激光細胞上。他說這些技術(shù)正在出現(xiàn)，一旦成熟就可以用來產(chǎn)生組織內(nèi)自我激射的單細胞。

不少專家都稱贊這項有趣的創(chuàng)新工作。加州大學爾灣分校生物醫(yī)學工程學家Michael Berns表示這項技術(shù)“非常精巧”，他說：“我已經(jīng)在細胞和激光方面工作了40年，從來沒想到這個研究”。但他認為該技術(shù)可能更適合單細胞研究而非醫(yī)學應(yīng)用，并指出需要外部光源泵浦細胞激光器的過程在體內(nèi)難以實現(xiàn)，這將限制該技術(shù)只能在薄組織、細胞培養(yǎng)或懸浮液中應(yīng)用。

（作者：Zoe Corbyn）