细胞“出汗”?!：Chem报道 “单细胞量热”重要突破

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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。

图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。

图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。


         文章来源：南京大学
         陈洪渊,1961年毕业于南京大学化学系。现为南京大学教授, 中国科学院院士（2001年当选）。1981-84年为联邦德国Mainz大学访问学者，其后曾分别获德国DFG、DAAD、VW-Stiftung等基金的资助多次以访问教授或客座教授进行中短期的合作研究。现任：南京大学教学委员会副主任、校学术委员会委员、院学术委员会主任、分析科学研究所所长，《生命分析化学国家重点实验室》（筹）学术委员会主任。现兼任：教育部科技委委员、化学化工学部主任，科技委学风建设委员会副主任；全国测试协会副会长；中国化学会常务理事、分析化学委员会副主任；江苏省化学化工学会理事长；江苏省质量协会副理事长；《 Science in China》、《中国科学 化学辑》、《高等学校化学学报》、《Chem. Res. in Chin. Univ.》四刊副主编；《化学进展》、《分析科学》、《色谱》等杂志的编委或顾问编委等；北京大学、清华大学、南开大学等兼职教授。历任：中国科学院化学学部常委；国家最高科学技术奖励委委员和评委；国家自然科学奖励委成员和评委；国家自然科学基金委、学部、学科评委；江苏省质量协会、学会副理事长；若干国家重点实验室学术委员会主任等。曾任《国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）》电化学委员会国家代表（1991-1994）。 长期从事电化学分析基础、仿生催化、生物电化学、化学生物学和微全分析系统等领域的研究，卓有成就。主持完成了国家、省部委和国际合作科研项目35项。目前主持国家自然基金重大项目和973纳米科技项目课题和与基金面上项目等。迄今已发表论文640余篇, H因子为46；专利7项；合编著译书6册，百科全书或专著4专章；《21世纪化学丛书》和《10000个科学难题（化学辑）》主编。曾获：国家自然科学二等奖（2007）、何梁何利科技进步奖（2006）、国家自然科学三等奖(1982)、全国科学大会奖(1978) 各1项，教育部自然科学一等奖（2001，2006）2项，国家教委（1998）与教育部(1999)科技进步三等奖各１项。2004年评为全国模范教师；2005年评为全国先进工作者，获全国“五、一”劳动奖章。
         康斌，2005年毕业于南京航空航天大学应用化学本科。2011年获南京航空航天大学-佐治亚理工学院联合培养工学博士学位。2011-2014年期间在佐治亚理工学院从事博士后研究。2015年1月起在南京大学工作，2017年1月起任副教授.研究兴趣为，发展高时空分辨的化学测量学方法、技术及装置，揭示微观化学及生物体系中电荷传递、能量转移、物质输运等瞬态物理化学过程及其动力学。
        徐静娟：女，1968年生，南京大学化学化工学院教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者；现任分析化学学科副主任，生命分析化学国家重点实验室副主任，国家自然科学基金委员会第十三、十四届化学科学部专家评审组成员，《化学学报》、《分析化学》、《分析科学学报》、《中国无机分析化学》等刊编委。1990年毕业于武汉大学化学系；1997、2000年在南京大学分别获得硕士和博士学位。2000年起在南京大学化学系任教。2006年晋升教授；2007年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”；2010年获得国家杰出青年科学基金资助；2013年获得中国青年女科学家奖；2014年入选英国皇家化学会会士；2014获批教育部长江学者特聘教授。2007/2008年度美国Cornell University访问教授。研究方向为生物分子界面行为与传感，主要研究领域为电化学、光电化学、电致化学发光和微纳流控分析。已发表SCI论文230余篇，研究成果被SCI刊物他人引用7000余次； h-index为47；撰写专章6章，授权专利10件。曾获国家自然科学奖二等奖1项（2007）、教育部自然科学奖一等奖两项（2006；2001）。