作為光通信,、數(shù)據存儲，以及其他許多現(xiàn)代技術的核心,，激光通常是由無生命的固體,、液體或氣體所產生的。如今,，兩位美國科學家研制出了世界上第一束生物激光,。以一個單細胞為基礎,，有朝一日,，生物激光或許能夠用于光基療法，進而殺死位于身體內部的癌細胞,。
50多年前發(fā)明的激光在本質上是一個光放大器,。它通過用電、化學方法或另一束激光將氣體,、液體或固體中的原子或分子“激發(fā)”到一個更高的能級來進行操作,。一旦激發(fā)，“受激”原子中的一個將最終衰變并釋放出一個光子,，而這個光子將開始撞擊其他激發(fā)態(tài)的原子,，并在這一過程中釋放出新光子的“洪流”。這些光子通過在兩個鏡面之間來回反彈而進一步放大它們的數(shù)量,。其中一個鏡面只有部分鍍銀,，以便讓一些光線能夠以典型的聚焦束的形式釋放出去。
美國波士頓市哈佛醫(yī)學院的物理學家Malte Gather和Seok-Hyun Yun如今解決了如何在一個活體細胞中復制這一過程的問題,。“我們在工作的開始著眼于生物激光的動機在很大程度上是一種科學好奇心,。”Gather說，“去年恰逢激光誕生50周年,。我們意識到,，盡管人們用許多不同類型的材料制造激光，但生物學物質卻從未扮演過一個重要角色,。”
Gather和Yun的生物激光的關鍵是綠色熒光蛋白（GFP）——自從這種分子于上世紀60年代早期在水母（Aequorea victoria）體內被發(fā)現(xiàn)以來,，它不斷被證明對生物學家是非常有用的，這部分緣于活體細胞通過生物程序能夠很容易地合成這種分子,。Gather和Yun用源自人體腎臟的細胞完成了這一過程,，并加入了用于編碼GFP的脫氧核糖核酸（DNA）。研究人員隨后將一些產生了GFP的細胞置于兩面鏡子之間——它們的距離僅僅相當于一個細胞的寬度，即只有約20微米,。
為了發(fā)出激光,，細胞中的GFP需要被另一束激光——約1毫微焦耳的低能藍光脈沖——所激發(fā)。通常情況下,，藍光只能夠使GFP在細胞中發(fā)出熒光,，也就是說，隨機向所有方向發(fā)光,。但是在緊密的光學共振腔內,，光線被來回反彈，將GFP的發(fā)射放大為一束連貫的綠光,。雖然這種激光很微弱,，但能被清晰地探測到，而用于生成激光的這個細胞仍然存活,。研究人員在6月12日的《自然—光子學》雜志網絡版上報告了這一研究成果,。
美國馬里蘭州巴爾的摩市約翰·霍普金斯大學的材料科學家Qingdong Zheng推測，這種生物激光能夠在新型傳感器或光基治療中找到應用,，例如,，這種激光的使用通過使已有藥物產生反應從而殺死癌細胞。他說：“這是一項很棒的工作,。”
Gather和Yun也對自己的這種裝置在治療上的發(fā)展?jié)摿芨信d趣,。盡管生物激光尚處于研發(fā)的最早期階段，但他們預測,，從長遠來看,，它可能有助于光通信的主干從無生命的電子設備向生物技術轉移。Gather表示,，這將使開發(fā)直接的人機界面變得更為容易——即大腦的神經細胞用閃爍的激光作為其運作信號,，從而能夠被一個外部設備捕捉到。例如,，這樣的裝置將使得殘疾人能夠在沒有鼠標或鍵盤的情況下使用計算機,。
對于這項成果的應用前景，研究人員提出了幾種可能,。首先,，由于不同的細胞結構所產生的激光在光學性質上有差異，可以通過分析最后得到的光,，來研究細胞和機體組織,；第二，目前醫(yī)學上有一種光基療法,，可把對光敏感的藥物送到要醫(yī)治的機體部位,，然后用光照來激發(fā)藥效,，如果在這種療法中能用上“細胞激光器”，也許可以增進療效,。
不過研究人員也表示,，要完全實現(xiàn)在機體組織內部產生激光，還要解決一個問題,，即如何在機體組織內形成一個光學共振腔,，而不是像本次研究那樣利用外部的兩面小鏡子。
但或許生物激光最迷人的方面來自于其本質上是活體的特性,。在傳統(tǒng)類型的激光中,，產生激光的介質會隨著時間而退化，直至停止工作,。然而,，對生物激光而言，細胞能夠持續(xù)合成新的GFP,。Gather說：“我們或許能夠制造可自我修復的激光,。”
50多年前發(fā)明的激光在本質上是一個光放大器,。它通過用電、化學方法或另一束激光將氣體,、液體或固體中的原子或分子“激發(fā)”到一個更高的能級來進行操作,。一旦激發(fā)，“受激”原子中的一個將最終衰變并釋放出一個光子,，而這個光子將開始撞擊其他激發(fā)態(tài)的原子,，并在這一過程中釋放出新光子的“洪流”。這些光子通過在兩個鏡面之間來回反彈而進一步放大它們的數(shù)量,。其中一個鏡面只有部分鍍銀,，以便讓一些光線能夠以典型的聚焦束的形式釋放出去。
美國波士頓市哈佛醫(yī)學院的物理學家Malte Gather和Seok-Hyun Yun如今解決了如何在一個活體細胞中復制這一過程的問題,。“我們在工作的開始著眼于生物激光的動機在很大程度上是一種科學好奇心,。”Gather說，“去年恰逢激光誕生50周年,。我們意識到,，盡管人們用許多不同類型的材料制造激光，但生物學物質卻從未扮演過一個重要角色,。”
Gather和Yun的生物激光的關鍵是綠色熒光蛋白（GFP）——自從這種分子于上世紀60年代早期在水母（Aequorea victoria）體內被發(fā)現(xiàn)以來,，它不斷被證明對生物學家是非常有用的，這部分緣于活體細胞通過生物程序能夠很容易地合成這種分子,。Gather和Yun用源自人體腎臟的細胞完成了這一過程,，并加入了用于編碼GFP的脫氧核糖核酸（DNA）。研究人員隨后將一些產生了GFP的細胞置于兩面鏡子之間——它們的距離僅僅相當于一個細胞的寬度，即只有約20微米,。
為了發(fā)出激光,，細胞中的GFP需要被另一束激光——約1毫微焦耳的低能藍光脈沖——所激發(fā)。通常情況下,，藍光只能夠使GFP在細胞中發(fā)出熒光,，也就是說，隨機向所有方向發(fā)光,。但是在緊密的光學共振腔內,，光線被來回反彈，將GFP的發(fā)射放大為一束連貫的綠光,。雖然這種激光很微弱,，但能被清晰地探測到，而用于生成激光的這個細胞仍然存活,。研究人員在6月12日的《自然—光子學》雜志網絡版上報告了這一研究成果,。
美國馬里蘭州巴爾的摩市約翰·霍普金斯大學的材料科學家Qingdong Zheng推測，這種生物激光能夠在新型傳感器或光基治療中找到應用,，例如,，這種激光的使用通過使已有藥物產生反應從而殺死癌細胞。他說：“這是一項很棒的工作,。”
Gather和Yun也對自己的這種裝置在治療上的發(fā)展?jié)摿芨信d趣,。盡管生物激光尚處于研發(fā)的最早期階段，但他們預測,，從長遠來看,，它可能有助于光通信的主干從無生命的電子設備向生物技術轉移。Gather表示,，這將使開發(fā)直接的人機界面變得更為容易——即大腦的神經細胞用閃爍的激光作為其運作信號,，從而能夠被一個外部設備捕捉到。例如,，這樣的裝置將使得殘疾人能夠在沒有鼠標或鍵盤的情況下使用計算機,。
對于這項成果的應用前景，研究人員提出了幾種可能,。首先,，由于不同的細胞結構所產生的激光在光學性質上有差異，可以通過分析最后得到的光,，來研究細胞和機體組織,；第二，目前醫(yī)學上有一種光基療法,，可把對光敏感的藥物送到要醫(yī)治的機體部位,，然后用光照來激發(fā)藥效,，如果在這種療法中能用上“細胞激光器”，也許可以增進療效,。
不過研究人員也表示,，要完全實現(xiàn)在機體組織內部產生激光，還要解決一個問題,，即如何在機體組織內形成一個光學共振腔,，而不是像本次研究那樣利用外部的兩面小鏡子。
但或許生物激光最迷人的方面來自于其本質上是活體的特性,。在傳統(tǒng)類型的激光中,，產生激光的介質會隨著時間而退化，直至停止工作,。然而,，對生物激光而言，細胞能夠持續(xù)合成新的GFP,。Gather說：“我們或許能夠制造可自我修復的激光,。”
