不像鉗子的“鉗子”

逸　力

在日常生活中，鉗子是個經(jīng)常用到的工具，可是你知道什么是世界上最精細(xì)的鉗子嗎？那就是“膜片鉗”。其實，“膜片鉗”并不是我們所常見的那種鉗子，而是一套生物學(xué)的科研儀器。它和我們普通的鉗子在外表上就差遠(yuǎn)了，完全沒有普通鉗子的手柄和夾頭，所以它無法用來“夾”任何日常物品。實際上，它是用來測電流的。

要說明白這把特別的“鉗子”，我們還得從細(xì)胞說起。大家都知道，細(xì)胞是構(gòu)成生物體的基本單位。細(xì)胞外面有細(xì)胞膜，細(xì)胞里面有細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核。而細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞之間的信號傳導(dǎo)的重要途徑是通過鑲嵌在細(xì)胞膜上的離子通道蛋白進(jìn)行的。離子通道是細(xì)胞膜上的一類特殊親水性蛋白質(zhì)微孔道，是神經(jīng)、肌肉細(xì)胞電活動的物質(zhì)基礎(chǔ)?？梢哉f，細(xì)胞離子通道的結(jié)構(gòu)和功能正常是維持生命活動的基礎(chǔ)。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，離子通道的主要功能有：提高細(xì)胞內(nèi)鈣濃度，觸發(fā)生理效應(yīng)；決定細(xì)胞的興奮性、不應(yīng)性和傳導(dǎo)性；調(diào)節(jié)血管平滑肌的舒縮活動；參與突觸傳遞等等。離子通道的功能發(fā)生異常時，會導(dǎo)致機體整體生理功能紊亂，形成某些先天性或后天獲得性疾病，會累及神經(jīng)、肌肉、心臟、腎臟等系統(tǒng)和器官。許多疾病的發(fā)生和發(fā)展與離子通道的功能、結(jié)構(gòu)異常有關(guān)。如人體細(xì)胞中的鉀離子通道如果出了問題，可能會引起陣發(fā)性舞蹈手足徐動癥。那么，科學(xué)家們怎么研究這些離子通道呢？這就要用到膜片鉗技術(shù)。

膜片鉗是從英文“Patch Clamp”翻譯而來。這項技術(shù)是由兩位德國細(xì)胞生物學(xué)家埃爾溫·內(nèi)爾和貝爾特·薩克曼所發(fā)明。在1976年，他們?yōu)榱搜芯考?xì)胞膜上單一或多數(shù)離子通道的分子活動，發(fā)明了這種記錄通過離子通道的離子電流的技術(shù)。這一技術(shù)大大提高了細(xì)胞電活動的研究精度，是生物學(xué)研究領(lǐng)域的一次革命性突破。正因為如此，他們兩人獲得了1991年的諾貝爾醫(yī)學(xué)與生理學(xué)獎。這一技術(shù)雖然問世只有十幾年，但已在相關(guān)領(lǐng)域顯示出了非常重要的意義和廣闊的前景。

膜片鉗技術(shù)是生物學(xué)和物理學(xué)相結(jié)合的成果。為了揭示細(xì)胞的生理過程，科研人員經(jīng)常需要測量生物電信號，所以這就要用到物理學(xué)中的相關(guān)知識方法，從而形成了一門細(xì)胞電生理學(xué)。膜片鉗技術(shù)是一門研究離子通道分子活動的技術(shù)，它要記錄的是通過離子通道的離子電流。具體操作過程是這樣的，運用微玻管電極（膜片電極或膜片吸管）接觸細(xì)胞膜，以千兆歐姆以上的阻抗使之對接，使與電極尖開口處相接的細(xì)胞膜小片區(qū)域（膜片）與其周圍在電學(xué)上分隔，在此基礎(chǔ)上固定電位，對此膜片上的離子通道的離子電流進(jìn)行檢測記錄。這種離子電流是非常非常微小的，所以要用電子學(xué)中的放大器來處理，并且最關(guān)鍵的，要把那些“雜質(zhì)信號”（噪音信號）排除掉，所以，這是一項非常精細(xì)的技術(shù)。為了記錄試驗結(jié)果，整個系統(tǒng)里面計算機是少不了的。

如今，膜片鉗已經(jīng)是世界重要的生物學(xué)實驗室里必不可少的儀器。科學(xué)家們用它發(fā)現(xiàn)了很多離子通道的秘密。借助這一技術(shù)，我國上海生命科學(xué)研究院的袁小兵和王以政研究員領(lǐng)銜的研究組，在國際上首次發(fā)現(xiàn)了引導(dǎo)神經(jīng)生長方向的新機制。他們發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)纖維最前端生長錐的細(xì)胞膜上有一類稱為“瞬間受體電位通道”（TRPC）的陽離子通道，正是這一離子通道起著傳遞神經(jīng)纖維生長“方向指令”的關(guān)鍵作用。

我們已經(jīng)知道，神經(jīng)纖維的生長主要是尖端生長，生長中的神經(jīng)纖維最前端是一個被稱為生長錐的結(jié)構(gòu)。它能夠活躍地探索細(xì)胞外的環(huán)境、感受外界的導(dǎo)向因子，引導(dǎo)神經(jīng)纖維朝特定的方向生長，逐步形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。但是，在這個神秘的過程中，神經(jīng)纖維生長方向的調(diào)控機制一直是一個謎。我國科學(xué)家首次觀察到神經(jīng)細(xì)胞外的導(dǎo)向因子，這是一種稱為BDNF的蛋白質(zhì)，在把信號傳遞到細(xì)胞膜內(nèi)過程中，能打開一種稱為TRPC的細(xì)胞膜陽離子通道，促使神經(jīng)纖維最前段生長錐內(nèi)的鈣離子濃度增加，哪一側(cè)細(xì)胞中鈣離子濃度較高，神經(jīng)就往哪里長。這一結(jié)果有助于揭示神經(jīng)發(fā)育的奧秘，對神經(jīng)損傷再生的研究提供理論借鑒，為開發(fā)和設(shè)計有利于神經(jīng)再生藥物提供新思路。

21世紀(jì)被稱為生命科學(xué)和生物技術(shù)的時代，在醫(yī)療、衛(wèi)生、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，生物技術(shù)對改善人類健康狀況及生存環(huán)境都在發(fā)揮著越來越重要的作用。我們相信，膜片鉗技術(shù)還會幫助生物學(xué)家們發(fā)現(xiàn)更多的科學(xué)之謎。

【責(zé)任編輯】李金