中美空間領域30年首次合作！今天，中國的晶元實驗室隨龍飛船奔赴國際空間站

北京時間6月4日凌晨5時7分，隨著美國肯尼迪航天中心「3——2——1——點火」的指令，北京理工大學的兩個墨綠色盒子，也跟著龍飛船進入太空，不久後抵達國際空間站的美國試驗艙。

發射過程

盒子20厘米不到，能自動變溫、自動加料、自動開始和停止實驗……閥、泵、反應器一個也不少，堪稱一個「魔盒」。

「用這兩個狹小的盒子，將開展大量的科學研究。」北京理工大學生命學院副教授李曉瓊介紹，載荷中共有兩組12塊晶元，60個通道，這些晶元可以模擬人體的發育過程，從而在空間環境下對20個基因進行突變規律的研究。

該實驗項目將在國際空間站駐留一個月，此次搭載是中美兩國30年來在空間領域的首次合作。

「魔盒」要做什麼實驗

「這次要開展的是PCR反應中DNA錯配規律研究。」李曉瓊具體解釋道。

PCR反應是什麼？中文名是聚合酶鏈式反應。聽著很暈，說說它的用處，就是讓DNA片段在人造的環境下，n次方的複製再複製，使得某段被需要的DNA無限量變多。

PCR反應

這個反應在現在的分子生物學研究中很常用，幾乎每個實驗室都有幾台PCR儀。地面PCR儀長什麼樣子呢？

這麼大的儀器，怎麼裝進這個魔盒？難道用了哆啦A夢的縮小隧道？

當然不是，「微流控晶元技術」才是正確答案。

微流控晶元技術？度娘這樣作答：微流控晶元技術(Microfluidics)是把生物、化學、醫學分析過程的樣品製備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的晶元上，自動完成分析全過程。

把實驗室儀器嵌在晶元里

微米級的晶元？裝進去一個皮包般大的儀器？更加難以想像了，還是請項目團隊帶頭人北京理工大學鄧玉林教授說說來龍去脈吧。

鄧玉林（左三）

「我們造的是『晶元實驗室』。電子晶元大家都熟悉，是將電阻、二極體等元件集成到晶圓上。我們也選用類似的材質，把微閥、微泵、微反應器都集成在晶元上去。」

「晶元實驗室」的實現源自一個奇妙的發現，1999年的《科學》雜誌上登載了它的原理文章——一位科學家發現，當裝有紅藍墨水的管子細到微納米級別時，二者的界面是非常清晰，不會混合。

鄧玉林說，「不混合」意味著控制流體變得非常簡單，一個拐彎就可以是個閥，泵、反應器、實驗室的那些儀器等都可以在小區域內實現，利用這個原理還可以做生物和化學反應器。目前已有很多應用。

微流控晶元技術的小巧和封閉正好滿足了太空實驗的要求。「在地面上完成一個生物學實驗，需要用很多很多儀器，一台一台搬上天是不可能的。我們就設計著把實驗室嵌進晶元里。」

「我們未來的空間站要建成國家的太空實驗室，希望各行業各領域都能去做試驗，這是國家發展對我們的要求。」鄧玉林介紹，他也在2012年的國家重大儀器開發專項——空間多指標生物分析儀器的開發與應用中擔任首席科學家。

成果瞄準天上，要考慮與地面上完全不同的環境。「很難想像玻璃試管在太空中使用，那會非常危險。」為此，鄧玉林教授團隊做到了多項創新，面對空間輻射、複雜機制、規律難以把握等難題，「敢想敢幹敢創新」，完成了整體實驗設計、核心晶元研製等研究工作。

事實上，在一個多月前，完全自主研製的「空間微流控晶元生物培養與分析載荷」，已跟隨「天舟一號」光臨過太空。那次的載荷是在晶元里培養細胞，在晶元里模仿人體器官的環境，進行多種細胞自動共培養，是世界首例。

「晶元里還鑲嵌了影像設備，」鄧玉林說，「在『天舟一號』的實驗中，我們不僅看得到細胞的形態，還看到細胞在培養中是怎麼運動的。」

項目組最終獲得的十幾個G容量的照片中，甚至可以講出一個「救死扶傷」的故事——神經細胞受傷後，發出信號募集免疫細胞，免疫細胞紛紛遷移前來「救援」。我們採用了多焦融合技術，實現自動調焦，清晰地拍下免疫細胞的遷移數量、途徑和方向。」

在神舟八號實驗基礎上再求突破

「這次實驗中的微流控晶元PCR儀，在2011年的神舟八號上已經初步成型，為完成這次的實驗任務，我們開發了更大容量的微流控晶元PCR儀。」李曉瓊介紹，團隊突破了在太空變溫條件下實現基因擴增的技術難題，「溫度過高會給晶元帶來巨大的壓力，容易產生破裂。『神八』搭載時，我們就攻克了這項難關」。

「此次用於擴增的片段是抗體DNA片段。讓抗體DNA片段在空間環境下擴增，它們會承受γ射線、微重力等影響。」李曉瓊說，「同時，地面將完成相同反應條件的對照實驗。」

空間飛行結束後，項目組會獲得在軌飛行的「DNA擴增產物」和「對照組DNA擴增產物」，測序分析後，比較兩者的不同，期望能總結出空間飛行導致基因突變發生的頻率、位點等規律，進而探討空間輻射及微重力環境下的基因誘變機理。

這是一次生物學理論的研究實驗，「神舟八號載荷實驗的研究中，發現了在空間環境中DNA變異的一些新現象，我們推斷空間環境造成的基因突變可能與生物分子進化有著重要的聯繫。」鄧玉林說，「想通過這次機會，更進一步了解這個現象和背後的規律。」

註：科技日報記者劉歲晗對稿件采寫提供幫助，採用圖片來自網路和北京理工大學

編輯：朱麗

審核：管晶晶

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！