飞秒激光刺激:改变细胞命运的新“钥匙”

11日从天津大学获悉,该校精仪学院胡明列课题组与上海交通大学贺号课题组合作,首次提出了基于飞秒激光刺激直接启动细胞外调节蛋白激酶(ERK)信号通路的新技术。该技术犹如一把“钥匙”,利用光子外部干预,可直接启动细胞信号通路,高效参与细胞的各种生命活动。相关成果以封面文章形式在最新一期光学领域顶级期刊《激光与光子学评论》发表。

细胞的一切生命活动都是由其内部的信号分子传递完成的。细胞中存在由多种信号分子互相偶联构成的多种信号通路,交叠形成一个复杂的网络,通过多种小分子和蛋白质的相互作用将复杂的细胞信号传递给细胞内相应的靶标位置。ERK信号通路是细胞最重要的信号通路之一。随着光遗传学技术的进步,借助激光激活细胞内光敏蛋白,介导调控下游分子信号和功能已成为研究的新热点。

飞秒激光是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段。胡明列课题组实验证实,借助飞秒激光,只要向任何目标细胞内进行100 ms刺激,即可实现细胞内ERK通路高效率启动,而且不需要向细胞另做基因转染。研究还证实激光刺激只对细胞内钙离子产生调控作用,细胞中的其他活性氧自由基并不参与这个过程。“高一点、低一点、抓住别掉!”盯着小屏幕上机器人抓手的开合,船上每个人的心都跟着起落。半小时后,机器带着渔获出水,数量虽不多,个个来之不易。九月初的大连海区,这场“水下机器人目标抓取大赛”比日头更火热。

大赛由国家自然科学基金委员会和大连市人民政府主办,今年第二届,30支队伍及个人参加。经过定点抓取和自由抓取两个组别两天的决赛,9月6日下午,结果出炉,15支决赛队伍共抓获121只海胆、海参和扇贝,整体优于去年。

需求驱动 水下机器人强队齐上阵

“我们吃的每一个野生海参都是人抓上来的。”中国工程院高文院士这句话,道出机器人“下海”最实在的目的。据他解释,中国人有吃海参的饮食习惯,但基于目前的生产条件,海参、鲍鱼等海产品只能由潜水员下水捕捞。劳动强度大、风险高,潜水员最多干到四十多岁,后半生饱受长期下潜造成的氮血症的困扰。“毕竟要付出健康的代价,20年以后大概没人想做这个行当了。在那之前,我们希望能‘机器换人’。”高文说。

除了保渔民平安,机器人水下捕捞也是海洋保护的福利。国内水产品消耗量大,主流都是暴力捕捞,拖网一下,对海洋生态破坏不小。不同于用作海底调查,如沉船打捞等大型水下作业的传统大型水下装备,水下机器人个头小、更灵活,可以从事抓捕类、应急救援、水下勘测等工作。如果可以实现机器人按需抓取、精准捕捞,产业链良性运转,其他水生生物也能免遭牵连。

国家自然科学基金委员会党组成员、副主任王承文将比赛目的概括为“水下精准捕捞的需要、保护海洋生态的需要和保护潜水员健康的需要”。高文表示:“国内做水下机器人研究最好的团队都来了。虽然和人的操作能力比起来还有很大差别,但识别、抓捕的反应度和效率有了质的提高。”

真实场景 以实战拉动基础研究

不同于在大连海事大学的水池中完成的目标识别组比赛和抓取组初赛,抓取组决赛在獐子岛海中15米×15米的网箱内完成,大风洋流、海底砂石水草、活的海胆扇贝——面对真实海洋环境和目标抓取任务,比赛难度远超常规机器人比赛。“这种任务的完成比想象难得多。可以检验我们的研究是不是真的管用,采集的比赛数据、图像视频对团队的未来研究也有极大价值。”

参加定点抓取组比赛的北京航空航天大学与中科院自动化所联队是第二年来,也是唯一研制软体机器人的参赛队伍。他们的机器人有章鱼一样柔软的臂和抓手,可以抓取手机、蛋挞等贵重或易碎物品。据北航领队文力教授介绍,今年的机器人有较大改进,尤其是“可以伸长的臂”。“我们观察发现,章鱼臂的肌肉可以伸长。今年就在机器人的抓取臂上加了伸长的环节,可以伸到原长的两到三倍,效率大大提高。”文力说,“回去将重点提高机器人的智能水平,让机器人自主性更强。”

作为两届大赛的主要组织者之一,大连理工大学软件学院王雷教授对机器人的进步感受明显:识别精度更高、抓取效果更好。但他同时表示,目前主要采用的水声通讯频率很低,海里高速通信还没有好的解决方案;水下机器人视觉能力原始,利用深度学习做识别的计算量太大。比赛收官,这项探索性研究还有不少难题待解。