生命不能称量之轻: 如何靠简单的构思发一篇Nature 妙文?

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大家有没有想过，生命的进程，质量是多少呢？ 我们知道活细胞的尺寸、体积和质量在生理过程中非常重要，其失常则会引起各种疾病。而细胞的质量由其所包含的水、蛋白质、油脂、碳水化合物、以及核酸所决定，并与其代谢、增殖、基因表达息息相关。然而，如何在生理环境之中，测量一个活细胞的质量及其随时间的演化过程，从而一窥生命的奥秘呢？当前，还没有一个手段，能有所需的质量精度和时间分辨率，来完成这一任务。瑞士苏黎世联邦理工学院 (ETH Zurich)的Daniel J. Müller教授及其合作者上周在Nature发表的题为Inertial picobalance reveals fast mass fluctuations in mammalian cells的论文，给这一问题提供了一个巧妙的解决方案。

我们先看结果。如上图所示，研究人员在10毫秒的时间分辨率上，研究了两类质量在2～3纳克左右的细胞，观测其质量随时间演化的趋势。他们发现细胞质量变化的动力学特征有快和慢两个时度，幅度约为12-15皮克。快的质量扰动如红线所示，时度约为2秒；而慢的质量扰动如绿线所示，时度约为18秒。如果将细胞固定(fixed)，从上图灰色曲线可以看出，细胞质量不再随时间变化。也就是说， 细胞质量的快慢扰动，是生命的本征特征！

为了研究不同的生命进程对活细胞质量扰动的影响，研究人员阻断细胞膜水通道蛋白，发现慢尺度的质量变化大幅度缩减，而快尺度的质量扰动变化不大。饿着细胞以抑制其ATP合成也有类似效果，说明细胞质量的扰动与细胞水和能量的交换相关。此外，他们还发现，如果细胞感染病毒的话，在几十秒的时度内质量变化动力学特征不变，但在长的时度范围内，细胞停止生长，如上图所示。

这是一组很有意思的实验，能让我们在精细的时度上看见细胞质量的扰动及其与生命进程的关联。作者是如何实现的呢？ 很简单，实验装置如上图所示，基于一个沾着待测细胞的悬臂梁。悬臂梁支撑处通过蓝色激光的光热效应诱导振动，其频率受所沾细胞质量影响。因此，可以通过对共振频率的测量，结合带阻尼的谐振子模型 (SHO)，精确确定细胞质量。

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