“激光镊子”在生物学研究的现状与进展

2018年10月2日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布将当年的诺贝尔物理学奖授予美国科学家Arthur Ashkin、法国科学家Gerard Mourou和加拿大科学家Donna Strickland，以表彰他们在激光物理领域的突破性发明。其中，Arthur Ashkin的贡献为“光学镊子及其在生物系统的应用”，Gerard Mourou和Donna Strickland的贡献为“产生高密度超短光学脉冲的方法”。

在显微镜下，当你观察原子、分子或者细胞时就会发现它们无时无刻地在做运动。Arthur Ashkin利用透镜和激光制造了一种“光学镊子”，只要用光学镊子就能对这些微小物质隔空夹住，以便科学家更好地研究。

光源同时具有热效应和辐射效应。对普通光源而言，由热效应所产生的压力比由单纯动量交换产生的辐射压力大几个数量级，因此很难获得足够的辐射压力。激光的出现改变了这一状况，使光的辐射压力得到充分体现。激光镊子就是利用激光与物质间进行动量传递时的力学效应，形成三维光学势阱。

如今，激光镊子已经应用于生物学、医学和材料科学，以组装和操作纳米粒子。然而该技术仍然面临着不小的挑战，使用激光镊子成功与否和被捕获粒子及周围环境的折射特性差异有着直接关联。具体来说，当被捕获粒子的折射率与周围环境不一致时，激光镊子比较好用；但当两者的折射率相似时，激光镊子就不大灵了。

图片来源：悉尼科技大学

今年3月，悉尼科技大学的研究人员发明了一种新技术，使得在使用激光镊子时能操纵与背景环境具有相同折射率的粒子。该研究项目负责人Fan Wang博士表示，研究团队通过用稀土金属离子掺杂纳米晶体来控制纳米粒子的折射性和发光。随后，该团队又优化了离子掺杂浓度，在更低的能量水平下捕获纳米粒子，并将效率提高了30倍。

以往，需要数百毫瓦激光功率才能捕获一个20纳米的金粒子。采用研究团队的新技术，在几十毫瓦激光功率下就能捕获一个20纳米的粒子。此外，团队发明的新方法还对水溶液中的纳米粒子实现了创纪录的高灵敏度或“刚度”。值得注意的是，新方法产生的热量可以忽略不计。因此，研究者对新技术的应用前景十分看好。

澳洲新南威尔士大学的Peter Reece博士表示，开发高效纳米级力探针的前景令人兴奋。他希望可以将力探针标记为靶向细胞内结构和细胞器，从而实现对细胞结构的光学操作。这项技术还有望促进对多种疾病（如糖尿病或癌症）的理解和治疗。

研究染色质结构

人体内的每一个细胞都含有DNA，它提供了发育和功能所需的指令。每个细胞的细胞核中总共包裹着两米长的DNA，却只有几十微米的大小，再通过将DNA包装成称为染色质的紧凑结构实现。

染色质的基层组织是通过将DNA包裹在称为组蛋白的蛋白质周围，形成类似“串珠”的线轴状结构。然后在“连接组蛋白”的帮助下，形成更复杂的染色体结构。基因组的复杂“包装”降低了读取DNA并转录基因细胞的可行性。因此，特定基因上染色质包装的不同程度和形状对其表达产生了重要影响。连接组蛋白在基因组保护和表达中起着关键作用，故障会导致癌症、自闭症等严重疾病，但它们如何结合DNA仍然未知。

对这些关键过程缺乏了解源于连接组蛋白的动态特性。为了克服这个问题，以色列理工学院的卡普兰教授在实验室开发了一种基于激光镊子的独特方法，这种方法允许研究人员在激光束的帮助下，捕获单个染色质分子并对其施加力。

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实验中，一条DNA链以类似拉开拉链的方式缓慢地被分离。在组蛋白与DNA的接触点上，即使以最弱的方式“拉链”也会卡住，这时就需要施加更大的力克服组蛋白与DNA接触或进入结构。

通过这种方法，Rudnizky博士和他的同事发现组蛋白和DNA之间的接触比以前已知的要广泛得多。事实上，染色体比以前认为的要大得多。此外，他们发现接头组蛋白的结构具有惊人的灵活性，因为存在两种不同的染色体形状：一种对称紧凑，另一种不对称松弛。

值得注意的是，单个分子中这些形状间的转换可以由转录机制从外部进行控制。这表明细胞利用稳定和不稳定形式的染色体之间的转换，以受控的方式调节对DNA的访问。鉴于染色体在维持我们基因组的正确表达方面所起的关键作用，鉴于染色体在人体基因组的正确表达方面发挥着关键作用，这些发现为我们理解染色质结构在健康和疾病中的作用，增加了一个重要层次。