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中美空间领域30年首次合作!今天,中国的芯片实验室随龙飞船奔赴国际空间站

2019/10/11 3:46:31

中美空间领域30年首次合作!今天,中国的芯片实验室随龙飞船奔赴国际空间站

北京时间6月4日凌晨5时7分,随着美国肯尼迪航天中心“3——2——1——点火”的指令,北京理工大学的两个墨绿色盒子,也跟着龙飞船进入太空,不久后抵达国际空间站的美国试验舱。

 

发射过程↓↓↓

 

盒子20厘米不到,能自动变温、自动加料、自动开始和停止实验……阀、泵、反应器一个也不少,堪称一个“魔盒”。

 

“用这两个狭小的盒子,将开展大量的科学研究。”北京理工大学生命学院副教授李晓琼介绍,载荷中共有两组12块芯片,60个通道,这些芯片可以模拟人体的发育过程,从而在空间环境下对20个基因进行突变规律的研究。

 

该实验项目将在国际空间站驻留一个月,此次搭载是中美两国30年来在空间领域的首次合作。

 

“魔盒”要做什么实验

 

“这次要开展的是PCR反应中DNA错配规律研究。”李晓琼具体解释道。

 

PCR反应是什么?中文名是聚合酶链式反应。听着很晕,说说它的用处,就是让DNA片段在人造的环境下,n次方的复制再复制,使得某段被需要的DNA无限量变多。

PCR反应

 

这个反应在现在的分子生物学研究中很常用,几乎每个实验室都有几台PCR仪。地面PCR仪长什么样子呢?

 

这么大的仪器,怎么装进这个魔盒?难道用了哆啦A梦的缩小隧道?

 

当然不是,“微流控芯片技术”才是正确答案。

 

微流控芯片技术?度娘这样作答:微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上,自动完成分析全过程。

 

把实验室仪器嵌在芯片里

 

微米级的芯片?装进去一个皮包般大的仪器?更加难以想象了,还是请项目团队带头人北京理工大学邓玉林教授说说来龙去脉吧。

邓玉林(左三)

 

“我们造的是‘芯片实验室’。电子芯片大家都熟悉,是将电阻、二极管等元件集成到晶圆上。我们也选用类似的材质,把微阀、微泵、微反应器都集成在芯片上去。”

 

“芯片实验室”的实现源自一个奇妙的发现,1999年的《科学》杂志上登载了它的原理文章——一位科学家发现,当装有红蓝墨水的管子细到微纳米级别时,二者的界面是非常清晰,不会混合。

 

邓玉林说,“不混合”意味着控制流体变得非常简单,一个拐弯就可以是个阀,泵、反应器、实验室的那些仪器等都可以在小区域内实现,利用这个原理还可以做生物和化学反应器。目前已有很多应用。

 

微流控芯片技术的小巧和封闭正好满足了太空实验的要求。“在地面上完成一个生物学实验,需要用很多很多仪器,一台一台搬上天是不可能的。我们就设计着把实验室嵌进芯片里。”

 

“我们未来的空间站要建成国家的太空实验室,希望各行业各领域都能去做试验,这是国家发展对我们的要求。”邓玉林介绍,他也在2012年的国家重大仪器开发专项——空间多指标生物分析仪器的开发与应用中担任首席科学家。

 

成果瞄准天上,要考虑与地面上完全不同的环境。“很难想象玻璃试管在太空中使用,那会非常危险。”为此,邓玉林教授团队做到了多项创新,面对空间辐射、复杂机制、规律难以把握等难题,“敢想敢干敢创新”,完成了整体实验设计、核心芯片研制等研究工作。

 

事实上,在一个多月前,完全自主研制的“空间微流控芯片生物培养与分析载荷”,已跟随“天舟一号”光临过太空。那次的载荷是在芯片里培养细胞,在芯片里模仿人体器官的环境,进行多种细胞自动共培养,是世界首例。

 

“芯片里还镶嵌了影像设备,”邓玉林说,“在‘天舟一号’的实验中,我们不仅看得到细胞的形态,还看到细胞在培养中是怎么运动的。”

 

项目组最终获得的十几个G容量的照片中,甚至可以讲出一个“救死扶伤”的故事——神经细胞受伤后,发出信号募集免疫细胞,免疫细胞纷纷迁移前来“救援”。我们采用了多焦融合技术,实现自动调焦,清晰地拍下免疫细胞的迁移数量、途径和方向。”

 

在神舟八号实验基础上再求突破

 

“这次实验中的微流控芯片PCR仪,在2011年的神舟八号上已经初步成型,为完成这次的实验任务,我们开发了更大容量的微流控芯片PCR仪。”李晓琼介绍,团队突破了在太空变温条件下实现基因扩增的技术难题,“温度过高会给芯片带来巨大的压力,容易产生破裂。‘神八’搭载时,我们就攻克了这项难关”。

 

“此次用于扩增的片段是抗体DNA片段。让抗体DNA片段在空间环境下扩增,它们会承受γ射线、微重力等影响。”李晓琼说,“同时,地面将完成相同反应条件的对照实验。”

 

空间飞行结束后,项目组会获得在轨飞行的“DNA扩增产物”和“对照组DNA扩增产物”,测序分析后,比较两者的不同,期望能总结出空间飞行导致基因突变发生的频率、位点等规律,进而探讨空间辐射及微重力环境下的基因诱变机理。

 

这是一次生物学理论的研究实验,“神舟八号载荷实验的研究中,发现了在空间环境中DNA变异的一些新现象,我们推断空间环境造成的基因突变可能与生物分子进化有着重要的联系。”邓玉林说,“想通过这次机会,更进一步了解这个现象和背后的规律。”

 

(本文转载自科技日报公众号。 编辑邮箱:shguancha@sina.com)题图来源:科技日报公众号 图片编辑:朱瓅