从“机械”跨越到“细胞”,看这个女神老师是如何做到的

责任编辑:鲁晓倩
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近日,我校机械与电气工程学院彭倍教授团队在国际著名期刊《Small》上发表题为“The Insertion Mechanism of a Living Cell Determined by the Stress Segmentation Effect of the Cell Membrane during the Tip–Cell Interaction”的研究论文。

彭倍教授团队青年教师范娜为该论文的第一作者、副教授姜海为共同第一作者,彭倍教授为论文联合通讯作者,电子科技大学机械与电气工程学院为第一作者单位和通讯作者单位。

这是我校机械与电气工程学院在细胞生物力学研究领域的重要突破。

▲青年教师范娜

这篇论文解决了什么问题?

将外源分子注入单细胞以及对细胞内部做力学研究是细胞生物学的研究热点之一,但是做到这些的前提是将针尖刺入到细胞内部。然而,大量实验表明,由磷脂双分子层构成的细胞膜就像一道神奇的屏障,即便是比头发丝细一千倍的纳米针也很难刺入,成功扎透细胞膜的概率在20%到80%之间,有时候甚至怎么都扎不进去。

小小细胞隐藏着诸多奥秘,细胞膜究竟具有怎样的力学特性,长期令人难以捉摸。范娜博士从细胞生物力学的角度,为彻底解开这个谜团带来了全新的思路,发现了纳米针尖和细胞膜相互作用时的刺入机理,并找到了两种大幅度提高“刺入率”的诀窍。

▲纳米探针给细胞“扎针”

论文评阅人对这篇论文给出了高度的评价:“这是世界上第一次用细胞生物力学方法对细胞膜的应力给出精确的、量化的描述。”

▲细胞膜及细胞膜骨架网络结构建模

那这篇论文可能会产生怎样的影响呢?

有了给细胞扎针的技术,就等于为人体普遍存在的成纤维细胞注入药物、蛋白质或转录因子,以诱导这些普通的细胞变成“万能”的“诱导多能干细胞”这一需求打开了一个窗口。

“设想一下,只要取一个成纤维细胞,比如普通的皮肤细胞,就可以诱导产生干细胞,进而分化成完全没有免疫反应的全新的眼角膜、全新的皮肤、全新的器官,这将是多么奇妙的事情!”范娜说,“这项技术一旦成熟,将会为人类的生命和健康事业带来巨大的福祉。”

论文背后:2年多的时间,成千万次的实验

2013年,从西南交通大学机械工程学院博士毕业,范娜来到电子科大加入彭倍教授团队。此前,她虽然在读博期间接触过生物力学,但研究的主要是髋关节的摩擦噪声问题。深入到纳米量级研究生物力学,在人生中还是第一次。“我是学机械的,但是现在却要做细胞、纳米的实验,刚开始难度还是很大”,范娜说。

她选择了一个生物力学和纳米力学交叉的切入点,那就是细胞。

而此前,她对细胞的研究没有任何基础。因此,一切都得从零开始。“其实,我们课题组没有一个老师有细胞研究方面的学术背景,更不用说开展这种活体单细胞研究了。”她说,一切都是从零开始的:从零开始梳理文献,从零开始学习请教,从零开始寻找合作。

▲与实验室博士生合影

没有纳米细针,就找上海的某研究所加工;不懂细胞刺入方法,就去重庆大学生物工程学院寻求合作。遇到难题或瓶颈,就找彭倍教授、姜海副教授讨论,并发动团队内的博士、硕士一起想办法,进行思想碰撞、头脑风暴。

精准操控原子力显微镜给单个细胞扎针也是一个高难度的技术活。由于纳米针很细、很脆而且价格不菲,因此扎针时要求操作很稳很准,否则针头折断,买针头的钱就打水漂了。设定每一个“触发力”,都要进行预实验和正式实验,整个实验中,她给细胞扎针的次数多达成千上万次。

由于实验方案需要和合作单位共同商榷,在做实验的半年时间里,她经常往返于电子科大和重庆大学。后期的数据整理、统计和分析的工作量也很大,团队的博士生、研究生甚至本科生都积极参与了进来。论文的撰写(包括图片和图表制作),范娜和姜海副教授总共经过了32遍修改。

论文投稿后,他们共收到三位审稿人的反馈意见。其中一位审稿人高度赞扬了这项工作;另一位审稿人从论文写作的细节性问题提出了建议。还有一位审稿人从应用前景的角度提出质疑,认为纳米针价格昂贵,难以推广应用,因此该项研究意义不大。对此,范娜毫不胆怯,先后两次据理力争,向专家阐述了这项工作的重要意义,最终说服了专家。

2018年5月,论文最终在《Small》上发表。从2015底年开始关注这个问题,到2018年终于做出成果,她与团队成员一起用了2年多的时间。

▲研究小组合影

关于范娜:学生眼中的范姐姐,生活中的全能辣妈

成为一名教师,是范娜高中以来的理想。出生于1986年的她其实是一位非常年轻的老师,甚至和一些研究生、博士的年龄差距很小,大家都亲切地叫她范姐姐。

范娜认为老师的责任不仅仅是研究怎么去传授知识,更重要是要用正面的人格魅力去感染学生。“很多年以后也许学生不会记住你教过他什么知识,但是他会记住曾经有这样一位老师指导过他,而且他/她是值得尊敬的,一些高尚的品格是值得学习的。”范娜说。在学生眼中,她既是老师,也是朋友,学习生活中的烦恼,同学都愿意跟她倾诉。

范娜的课堂也很受学生欢迎。她风趣幽默,把枯燥的专业知识讲解得浅显易懂。她上的《机械原理》、《神奇的纳米世界》、《纳米科技前沿》等课程,“场场爆满”,有课程从第一年只有50多,到第三年110多人,教室已经装不下了。

工作之余,范娜是一个“文艺青年”,喜欢旅游,喜欢读书,喜欢种花听音乐,同时她还是一个全能“辣妈”。谈到育儿经,范娜说:“我看了很多育儿方面的书籍,在书本上学习,自行摸索,这和搞科研有点类似,然后总结一些适合自己和孩子的方法,并运用到生活中去。‘辣妈’这个词语大家用的也很多,我希望自己成为了一个有思想深度,有生活智慧,一个美丽健康的妈妈。”

人物名片

范娜博士,机械与电气工程学院讲师。先后在西南交通大学、西南交通大学/德国汉堡理工大学(联合培养),获得学士、硕士和博士学位,主要从事微纳生物制造等相关交叉学科的研究。近年来主持和参与国家自然基金面上项目、企业横向项目等多个项目。迄今已在Small, Applied physics letters, Materials, Journal of Orthopaedic Research, Wear等国际著名期刊上发表SCI收录论文10余篇。先后获得电子科技大学第一届青年教师教学竞赛二等奖和本科教学优秀奖。

文:校新闻中心 王晓刚

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在正常情况下纳离子和钾离子是如何跨越细胞膜进出...

答:在生理情况下,钠离子和钾离子是通过钠钾泵以主动运输的方式进出细胞:每次运出3个钠离子,运进2个钾离子。

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