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閃耀奈米鑽石製成細胞內溫度計

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撰文者:Alex Lopatka (宋育徴譯)
發文日期:2021-02-09
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  • 利用「氮 - 空缺中心」(Nitrogen-vacancy centers)的電子自旋,並仔細追蹤其中心,研究人員可量測到小至0.22°C的溫度變化。


    當鑽石形成,偶爾會有氮原子搶走了在鑽石晶格中,空碳位旁的碳原子位置。研究人員稱這類的雜質為「氮-空缺中心」(Nitrogen-vacancy centers, NV),且通常他們會故意將這類的雜質添加到鑽石晶格中以應用在各方面的技術,例如:作為量子資訊技術的一部分,或是作為微小的生物感測器。(請參見Physics Today,2014年10月份,第38頁,Lilian Childress、Ronald Walsworth和Mikhail Lukin的文章。) 


    奈米鑽石的感應能力來自於「氮-空缺中心」的光學特性。「氮-空缺中心」的電子基態(ground state)是自旋三重態(spin triplet),且溫度會影響到自旋量子數為0的次能階與簡併態為-1和+1的次能階之間的能量差。利用光學檢測方法所得到的磁共振光譜可量測其能量之間的差異。使用綠色雷射光激發「氮-空缺中心」可將其中一個電子激發到第一激發態上(first exited state),當此激發的電子回到基態時,會使「氮-空缺中心」伴隨著發出紅色螢光。施加與次能階差相同頻率的微波輻射會導致螢光強度減弱,便可利用其螢光強度的差異來估算溫度。


    在應用上,奈米鑽石「氮-空缺中心」的自旋態已被拿來當作磁力計,用來檢測癌細胞中的微弱磁場(請參見Physics Today,2011年8月份,第17頁的文章)。除此之外,奈米鑽石的「氮-空缺中心」也可被拿來作為活體外細胞培養的溫度計1。而如今,日本大阪市立大學(Osaka City University)的藤原正純(Masazumi Fujiwara)及其同事證明了奈米鑽石的「氮-空缺中心」可作為精確的量子感應器,在活體內測量複雜生物體的溫度變化2


    利用顯微鏡追蹤奈米鑽石顆粒,研究人員可在時間及空間上精確地掌握秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans, C. elegans)體內細胞的溫度。而另外還有一種奈米級的溫度測量工具,稱為量子點(Quantum dots),它通常會含有鎘和砷。所以相較下來,奈米鑽石對活體生物的毒性較小,且它的化學穩定性可讓它們避免在進行著各種生化反應的細胞環境中受到破壞。


    追光

    幾十年來,科學家在分子生物的研究中經常使用秀麗隱桿線蟲作為研究對象。此透明的多細胞線蟲對研究者來說,是一種最恰到好處的研究對象:該生物比簡單的單細胞生物還要再複雜一些,但也不會複雜到需要讓研究人員花費很大心神去解開其中錯綜複雜的生物機制與原理。舉個例來說,有兩次的諾貝爾生理學或醫學獎就是以線蟲作為研究的模式生物,一次是2002年關於器官發育與細胞死亡的研究,而另一次為2006年的RNA干擾(RNA interference, RNAi)研究(註解1)。更重要的是,在1998年12月,秀麗隱桿線蟲成為第一個完成全基因組定序的多細胞生物。


    藤原和他的同事想利用此模式生物來測試改良後的奈米鑽石溫度計。首先,他們將有著「氮-空缺中心」的奈米鑽石注入1毫米長的秀麗隱桿線蟲樣品中,其中一隻如圖1所示。接著將每個樣品放在固定於共軛焦螢光顯微鏡的玻璃底培養皿中觀察。

     
    截圖 2021-02-09 上午11.35.18
    圖1、將螢光奈米鑽石(紅色點)注射到直徑約為80微米的秀麗隱桿線蟲 (Caenorhabditis elegans)中。此圖片是將樣本放置在玻璃底培養皿中並用綠色雷射光激發奈米鑽石後,以共軛焦螢光顯微鏡獲得。(圖片取自藤原正純(Masazumi Fujiwara))。



    以綠色雷射光激發奈米鑽石,並在四個緊密間隔的微波頻率下測量「氮-空缺中心」的螢光強度。此策略不僅為研究人員提供了估算溫度的方法,而且還可校正總螢光產生率的變化所造成的誤差。


    每隔幾秒,研究人員就會沿著顯微鏡的三個軸測量螢光強度,以透徹地追蹤在線蟲體內的「氮-空缺中心」。在活體外的細胞中,奈米鑽石幾乎不會移動。「但在活著的秀麗隱桿線蟲或其他生物體內部,是一個更動態的環境。」藤原說,「這裡的技術突破是:我們製造了一個顯微鏡系統,可以測量在移動中的奈米鑽石。」


    為了測試他們的奈米鑽石溫度計的靈敏度,研究人員將線蟲置於溫度突變的環境中,讓線蟲的體溫在25°C至33°C之間變化。圖2a展示了一條代表性的螢光強度觀察結果。而在圖2b的時間軸上,繪製了「氮-空缺中心」奈米鑽石溫度計的即時溫度估計值 (灰色線),及其20秒移動平均的溫度值(紅色線),這會與用別的方法另外獨立測量的線蟲體溫(藍色線)一致。


     
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    圖2、量測細胞內的溫度變化。(a)「氮-空缺中心」在受到綠色雷射光激發後所發出的螢光。溫度會影響「氮-空缺中心」自旋態次能階之間的能量差,當激發的電子回到基態並發出螢光時,藉由光學方法檢測到的磁共振可測量其溫度。(b)利用「氮-空缺中心」奈米鑽石溫度計每秒所估算的溫度(灰色線) 及其20秒移動平均的溫度值(紅色線),會與另外獨立測量的溫度(藍色線)一致。(改編自參考文獻2)


    在觀察到人為誘發的溫度變化後,研究人員利用奈米鑽石,在微米等級的空間解析度下,及時收集測量到的生物熱產生值。在一個藥理學實驗中,要治療一個暴露在低溫中的線蟲,研究人員使用解偶聯劑(uncoupling chemical),阻礙在線蟲粒線體中的正常代謝途徑,改為轉化成熱量。實驗過程中追蹤「氮-空缺中心」,發現線蟲移動了幾微米,且奈米鑽石溫度計測量到的溫度升高了幾度,並持續了約兩個小時的升溫。


    理論與實際觀測的調解


    藤原和他的同事所觀察到的微小溫度變化,與先前針對單個活細胞內生熱的光譜測量結果一致。但根據理論上的熱生成率及在細胞內的熱傳遞速率,預測到的溫度變化會比藤原所測量到的變化小了幾個數量級3

    此新發表論文的共同作者,在日本東京慶應義塾大學(Keio University)的Yutaka Shikano說:「科學家們並沒有達成共識,但我們已經對溫度進行可靠地測量,而這就是我們測量到溫度上升的結果。」為了縮短實際測量值與預測值之間的差距,研究者們須將奈米鑽石溫度計量測法與其他生物測量方法(例如:耗氧率)做結合。這樣的分析組合有機會對產生溫度變化的生物學機制提供更好的解釋。

    除了秀麗隱桿線蟲,藤原和他的同事認為奈米鑽石溫度計也可用於活體外人類幹細胞的研究。研究人員通常會在實驗室使用培養箱為細胞提供生長環境,但卻很難維持穩定的溫度。精準的奈米鑽石溫度計可以在細胞內可以更好的測量環境溫度的局部變化,並幫助研究者們更好地了解這些微小的差異如何影響細胞的繁殖與生長。


    參考文獻:
    1.G. Kucsko et al., Nature 500, 54 (2013).
    2.M. Fujiwara et al., Sci. Adv. 6, eaba9636 (2020).
    3.G. Baffou et al., Nat. Methods 11, 899 (2014).


    譯者註解


    2002 諾貝爾生醫獎頒予Sydney Brenner, H. Robert Horvits, 與John E. Sulston。由於他們發現基因調控器官發育與細胞程序化死亡(for their discoveries concerning genetic regulation of organ development and programmed cell death)。
    2006 諾貝爾生醫獎頒予 Andrew Z. Fire 與Craig C. Mello。由於他們發現RNA 干擾,由於雙股RNA造成的基因沉默現象(for their discovery of RNA interference - gene silencing by double-stranded RNA)。




    本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today 2020 雜誌內 (Physics Today 73, 11, 20 (2020); https://doi.org/10.1063/PT.3.4611)。原文作者:Alex Lopatka 。中文編譯:宋育徴,國立中央大學物理系助理。


    Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Alex Lopatka , and are published on (Physics Today 73, 11, 20 (2020); https://doi.org/10.1063/PT.3.4611). The article in Mandarin is translated and edited by Y.C.Sung , working at the Department of Physics, National Central University.
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