活體生物的「奈米外套」
102/06/14
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范姜文榮｜
國立臺灣大學生命科學系
生物為了生存於變化多樣的環境，發展出各式各樣的生理機能與結構，例如蓮葉的高撥水性、蝴蝶翅膀的色澤、鯊魚表面的低摩擦力等都廣為所知。模仿生物的微細構造而開發新材料是仿生技術的熱門研究之一。
生物表面的微細構造需要透過電子顯微鏡進行觀察，但必須要處於電子束易於穿透的高度真空狀態，且有必要將生物材料置於真空管內。只是若將體重有約80%水分的生物置於高度真空狀態，生物會因水分蒸發而造成體積收縮，以致其表面微細結構變形。故為了觀察近似活體生物的微細結構，需要將生物材料進行化學固定、乾燥處理或表面包覆處理，因此以往透過電子顯微鏡觀察的都是已死亡的生物體。
日本浜松醫科大學和東北大學共同合作所組成的研究團隊，使用高解析掃描式電子顯微鏡，在高度真空狀態對各種生物進行活體觀察，結果發現一些於體表具有黏性的細胞外物質生物，如果蠅或蜜蜂的幼蟲，並無體積收縮現象，不僅能觀察到微細構造的表面，還能觀察到其運動行為，且之後從電子顯微鏡取出觀察後的幼蟲，能繼續飼育變為成蟲。後來使用未照射電子束，但同樣的高解析掃描式電子顯微鏡，將幼蟲放置1小時後，發現此果蠅的幼蟲因體積收縮變形而死亡。實驗結果顯示電子束的照射是此生物體在高度真空狀態下生命維持的關鍵。
為了觀察果蠅幼蟲的表面構造特徵，對照高解析掃描式電子顯微鏡實驗前後的果蠅幼蟲製作超薄切片，使用穿透式電子顯微鏡進行觀察，結果顯示使用電子束照射的幼蟲個體，體表外層形成50至100奈米的薄膜，但是未經電子束照射放置1小時的幼蟲個體則未觀察到薄膜的形成。
此結果顯示此生物體於高度真空狀態下，電子束的照射會形成薄膜，以抑制體內氣體或液體的散失。另外，使用等離子照射處理(plasma treatment)也會得到與電子束的照射相同的薄膜。因此實驗團隊進行幼蟲體表細胞外物質分析，選定與其類似化學官能基的界面活性劑，對原本無法產生薄膜而會體積收縮導致變形的蚊子幼蟲，於其表面進行塗抹，並進行等離子照射處理，使之形成「奈米外套」，給幼蟲穿上一件密不透氣的「奈米外套」，使其在高真空的環境下，以電子顯微鏡進行活體觀察，結果發現幼蟲的體積未收縮與變形，且能活動自如，觀察後放回飼養池內也能變為成蚊。後續實驗也證實蚊子幼蟲體表外層形成50至100奈米的薄膜。
此研究開發出的「奈米外套」，使往後的生物研究能藉以直接觀察各種活體生物的微細構造與運動方式，期待能進一步理解更多生物的生命現象與行為。（本文由國科會補助｢新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿）
責任編輯：周成功｜長庚大學生物醫學系
