近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院超快激光研究室在飛秒激光對(duì)細(xì)胞內(nèi)離子調(diào)控方面的工作取得了重大進(jìn)展，研究成果發(fā)表在國際頂級(jí)期刊Nature Photonics雜志(影響因子為29.2)上。這篇題為Manipulation of cellular light from green fluorescent protein by a femtosecond laser的論文(doi:10.1038/nphoton.2012.207，目前已經(jīng)在線發(fā)表)報(bào)道了飛秒激光與人類癌細(xì)胞相互作用時(shí)一系列離子過程的變化，實(shí)驗(yàn)證明，這種離子變化是激光可控的，并且這種可控性可以對(duì)細(xì)胞內(nèi)表達(dá)的綠色熒光蛋白在綠-紅熒光轉(zhuǎn)換中起到精確的調(diào)控作用。此項(xiàng)研究首次證實(shí)飛秒激光可以可控地定量地調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的多種離子，對(duì)于未來的光控細(xì)胞過程和疾病治療具有重要價(jià)值。

綠色熒光蛋白（GFP）是生命科學(xué)研究中一種非常重要的熒光蛋白，2008年，因?yàn)閷?duì)GFP的發(fā)現(xiàn)和研究，錢永健等人獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。一直以來，GFP被認(rèn)為只能發(fā)出綠色熒光，且這種熒光僅會(huì)被它特有的激發(fā)藍(lán)光在長期照射時(shí)漂白。超快激光研究室從2010年起在試圖控制飛秒激光對(duì)細(xì)胞傷害的研究中發(fā)現(xiàn)，單次短時(shí)間曝光就會(huì)讓GFP漂白。這個(gè)過程牽涉到很多細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的離子過程，而這些過程卻又是激光可控的。研究表明，一定參數(shù)的飛秒激光對(duì)細(xì)胞的刺激可以排空內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的鈣存儲(chǔ)，從而使得細(xì)胞膜上鈣通道的打開。這是世界上首次實(shí)現(xiàn)了激光對(duì)于鈣存儲(chǔ)調(diào)控的鈣通道（CRAC）的控制。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的研究表明，細(xì)胞內(nèi)的鈣濃度異常升高會(huì)導(dǎo)致活性氧自由基簇的升高，從而使得GFP被氧化漂白，這種漂白來自于GFP蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)光基團(tuán)的變化。

當(dāng)然這種漂白過程也可以用來對(duì)GFP熒光轉(zhuǎn)換的控制。2010年，俄羅斯科學(xué)家發(fā)現(xiàn)GFP在極強(qiáng)的488 nm連續(xù)激光的掃描下會(huì)發(fā)生熒光轉(zhuǎn)換為紅色的過程。而超快激光研究室課題組經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，波長在GFP熒光激發(fā)帶中的激光都可以實(shí)現(xiàn)熒光轉(zhuǎn)換。這種熒光轉(zhuǎn)換的速度可以用飛秒激光產(chǎn)生的細(xì)胞內(nèi)氧化性增強(qiáng)來調(diào)節(jié)。

該工作是由天津大學(xué)精儀學(xué)院副教授賀號(hào)提出設(shè)想和實(shí)驗(yàn)框架，并與南開大學(xué)生命科學(xué)院曹又佳教授課題組一起合作完成，天津大學(xué)博士研究生王劭陽參與了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，胡明列教授和王清月教授為該項(xiàng)研究提供了指導(dǎo)并協(xié)助完成數(shù)據(jù)分析和論文撰寫。哈佛大學(xué)的王文芹博士對(duì)該工作提出了很多寶貴意見。該工作得到了國家科技部973計(jì)劃和自然科學(xué)基金委的資助。