细胞“出汗”?!:Chem报道 “单细胞量热”重要突破

发布时间:2021-03-23浏览次数:10

热量是自然界中能量存在的一种普遍形式。在化学系统中,几乎所有的化学反应过程无不涉及吸热或放热。对生命系统而言,热量既是物质新陈代谢的必然产物,又是维持正常生命活动和功能的重要保证。包括人类在内的绝大多数恒温动物,其摄入的食物除了满足生长、发育和活动所需外,尚有一大部分转化为热量以补偿环境温度涨落的损失。正常条件下人体可以调整产热和散热以维持体温,体温≥37.3℃通常称为“发热”,“发热”是临床常见的症状之一,同许多疾病的发生紧密相关。“量体温”也是临床广泛使用的重要诊断方式之一。

细胞作为构成生命结构和功能的基本单元,是物质合成、能量生成和新陈代谢的主要场所。细胞内时刻在发生着热量的产生、传递和耗散,近期研究表明在细胞水平也存在对温度的感知和响应。细胞内的热力学环境,不仅关系到细胞的活动与功能,也与许多重要的生物医学应用紧密相关。然而,迄今人们对于细胞内热量传递和调节基本规律的认知,依然知之甚少,一些基本问题依然未知。比如:细胞内的热量是如何耗散的?细胞热了会不会通过“出汗”而散热?细胞会根据环境温度自己调节热量平衡吗?如能发明一种“细胞量热计”,给单个细胞“量体温”,在细胞水平研究热量产生和耗散过程,将有望回答以上科学谜题,深入理解“发热”的细胞基础和分子机制。

1. 单细胞时空分辨分子动态分析系统仪器装置

实现单细胞的“量热”,在技术上有很大的挑战。要求在测量原理应用、关键技术和仪器装置上创新,突破时空分辨的测量极限。在该思想的指导下,依托陈洪渊院士主持完成的基金委重大科研仪器项目单细胞时空分辨分子动态分析系统测量平台,该团队把研究单细胞内的能量涨落和热动力学规律作为长期科学目标。通过仪器创制和测量技术创新,成功突破了细胞内瞬态传热测量的难题,国际上首次测得了不同种类温血和冷血动物细胞、以及正常细胞和癌细胞内的热耗散及其差异性。发现温血动物细胞可根据环境温度变化调节热耗散以维持细胞内热量平衡,并通过细胞代谢组学分析研究了能量代谢相关的分子通路。该成果近期刊登于Cell姊妹刊Chem杂志(DOI:10.1016/j.chempr.2021.02.027)。南京大学为第一完成单位和通讯单位,化学化工学院博士生宋沛和高鹤为论文共同第一作者,康斌副教授、徐静娟教授和陈洪渊院士为论文共同通讯作者。 

2.单细胞内的热传导与热耗散调节

这一工作不仅第一次揭示了人体“发热”和“体温调节”的细胞基础和分子通路,更打开了通向理解“细胞小宇宙”中的基本物性和规律的一扇窗户。随着单细胞内自由能、反应焓、熵变等更多热力学参量和过程的测定,必将拓展和更新我们对单细胞内能量涨落和平衡的基本认知。继而促进热量相关的疾病发生机制研究和诊疗新技术研发,比如发热症状与体温调节、退烧药的作用机制、极寒/极热环境下的生物生存等等。

本研究得到了基金委重大科研仪器研制项目、基金委重点项目、南京大学卓越研究计划等基金支持。

 

供稿:化学化工学院、科学技术处