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朱学良研究员为美国细胞生物学会50周年专题撰写文章 |
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编者按:为庆祝美国细胞生物学会(ASCB)成立50周年，其会刊《细胞分子生物学》（Molecular Biology of the Cell）在11月出版的第21卷22期特别设立50周年专题，邀请Bruce Alberts等学者以随笔的方式展望细胞生物学的未来50年。中科院上海生科院生化与细胞所研究员朱学良作为该杂志中国大陆的副主编，也受邀撰写了一篇短文。
朱学良的文章题为《在细胞生物学中看见阴和阳》（Seeing the Yin and Yang in Cell Biology）。文中简要讨论了东方注重整体和西方注重分析的哲学观与人们对细胞这一复杂生命基本单元的认识的关系，并就活细胞显微术这一从整体上研究细胞生命活动的技术的发展及趋势进行了介绍和展望。
细胞是组成生物的基本单元。它们在形状、内部结构、应对环境信号、功能等方面都具有极强的弹性。基于这些可塑性和多样性，它们可以单独形成单细胞生物，或组合起来形成多细胞生物，并以此来支持地球上所有生命的繁衍生息。因此，自从细胞在300多年前伴随显微镜的发明而被发现以来，它们的运转机制就一直是个重大的科学问题。
有趣的是，古代中国人在2000多年前似乎就能够通过阴和阳这样的简单概念来解释生命。阴和阳指两种性质相反但却既相互依赖又能相互转化的力量，就如著名的太极图所展示的那样。人们认为是阴和阳的相互作用维持了生命的动态平衡。这种观念，用现今的说法就是复杂系统中的正、负反馈或调节网络，也成为了中医的基础。
由于几乎所有动态的生命变化都可用阴阳理论来解释，因此古人们并不热心于深入探索其中的详细机制。直到近代，得益于把复杂系统不断拆分成越来越细微的组分的西方分析方法，有关细胞的组织结构和行使功能的机理等方面的知识才得到迅速的积累。尽管如此，如何把来自于单个部件的信息组装成活细胞的完整图像，仍是件颇有挑战性的工作。
活细胞荧光显微术看起来则可以很好地兼顾东方和西方哲学观。利用这项技术能够直接观察活细胞的内部活动，因此比起在试管中或利用固定液处理后的死细胞所进行的研究而言有其独特的优势。
在获取活细胞影像的设备和方法方面，人类已经取得了长足进步。已有一批荧光蛋白质、荧光色素和荧光探针可以作为标记物来使用，而转盘式激光共聚焦显微镜或其他激光共聚焦显微镜则能提供很不错的时空分辨率。近来在超高分辨率显微镜方面的进展甚至使得缩时荧光显微术可在纳米水平进行，因此这类技术无疑能大大促进人们对细胞的认识。
未来这些技术可能还会继续发展，以产生出更多的检测方法，并达到更高的时空分辨率。考虑到细胞内有数量巨大、种类繁多的生物分子在工作，而且很多分子的拷贝数低，一个困难的挑战将是如何大力提升荧光检测的灵敏度和检测通道的数目。
那些能够被同一种单色光激发出不同波长荧光的荧光色素，比如说量子点，只需要一套滤色片就能被观测到，因此可以极大地增加检测速率和可同时监测的靶分子的种类。有人还提出，把不同的量子点组合起来就可以如条形码一样标记大量的生物分子。
但是像量子点这样的荧光色素需要在体外条件下才能标记蛋白质等生物分子并须在使用时重新引入细胞，而且难以区分荧光信号是来自于完整的还是降解的外源蛋白质，甚至是单独的荧光分子，因此在高通量应用中实际上困难重重。
另一方面，尽管使用由基因编码的荧光蛋白质会在很大程度上克服上述缺点，但目前荧光蛋白质的种类还不多，而且不同的荧光蛋白质无法用同一种单色光来激发。
活细胞显微术要是能通过具有埃分辨率（1纳米等于10埃）的“显埃镜”直接区分不同的生物分子并在分子水平进行真正的“无侵害性”测量，那该多好。尽管我们还需等待才能知道这样的美梦能否成真，但希望这种系统能在今后的50年中面世。这样我们就能详尽地探索蕴藏于细胞生物学中的各种动态的阴阳变化了。
《科学时报》 (2010-12-09 A4 国际)
