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醫(yī)療激光新聞

“激光鑷子”在生物學(xué)研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展

星之球科技 來源:Ringier2021-08-10 我要評論(0 )   

2018年10月2日,瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布將當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎授予美國科學(xué)家Arthur Ashkin、法國科學(xué)家Gerard Mourou和加拿大科學(xué)家Donna Strickland,以表彰...

2018年10月2日,瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布將當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎授予美國科學(xué)家Arthur Ashkin、法國科學(xué)家Gerard Mourou和加拿大科學(xué)家Donna Strickland,以表彰他們在激光物理領(lǐng)域的突破性發(fā)明。其中,Arthur Ashkin的貢獻(xiàn)為“光學(xué)鑷子及其在生物系統(tǒng)的應(yīng)用”,Gerard Mourou和Donna Strickland的貢獻(xiàn)為“產(chǎn)生高密度超短光學(xué)脈沖的方法”。


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在顯微鏡下,當(dāng)你觀察原子、分子或者細(xì)胞時就會發(fā)現(xiàn)它們無時無刻地在做運(yùn)動。Arthur Ashkin利用透鏡和激光制造了一種“光學(xué)鑷子”,只要用光學(xué)鑷子就能對這些微小物質(zhì)隔空夾住,以便科學(xué)家更好地研究。


光源同時具有熱效應(yīng)和輻射效應(yīng)。對普通光源而言,由熱效應(yīng)所產(chǎn)生的壓力比由單純動量交換產(chǎn)生的輻射壓力大幾個數(shù)量級,因此很難獲得足夠的輻射壓力。激光的出現(xiàn)改變了這一狀況,使光的輻射壓力得到充分體現(xiàn)。激光鑷子就是利用激光與物質(zhì)間進(jìn)行動量傳遞時的力學(xué)效應(yīng),形成三維光學(xué)勢阱。


如今,激光鑷子已經(jīng)應(yīng)用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和材料科學(xué),以組裝和操作納米粒子。然而該技術(shù)仍然面臨著不小的挑戰(zhàn),使用激光鑷子成功與否和被捕獲粒子及周圍環(huán)境的折射特性差異有著直接關(guān)聯(lián)。具體來說,當(dāng)被捕獲粒子的折射率與周圍環(huán)境不一致時,激光鑷子比較好用;但當(dāng)兩者的折射率相似時,激光鑷子就不大靈了。


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■圖片來源:悉尼科技大學(xué)


今年3月,悉尼科技大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種新技術(shù),使得在使用激光鑷子時能操縱與背景環(huán)境具有相同折射率的粒子。該研究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Fan Wang博士表示,研究團(tuán)隊(duì)通過用稀土金屬離子摻雜納米晶體來控制納米粒子的折射性和發(fā)光。隨后,該團(tuán)隊(duì)又優(yōu)化了離子摻雜濃度,在更低的能量水平下捕獲納米粒子,并將效率提高了30倍。


以往,需要數(shù)百毫瓦激光功率才能捕獲一個20納米的金粒子。采用研究團(tuán)隊(duì)的新技術(shù),在幾十毫瓦激光功率下就能捕獲一個20納米的粒子。此外,團(tuán)隊(duì)發(fā)明的新方法還對水溶液中的納米粒子實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的高靈敏度或“剛度”。值得注意的是,新方法產(chǎn)生的熱量可以忽略不計。因此,研究者對新技術(shù)的應(yīng)用前景十分看好。


澳洲新南威爾士大學(xué)的Peter Reece博士表示,開發(fā)高效納米級力探針的前景令人興奮。他希望可以將力探針標(biāo)記為靶向細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)和細(xì)胞器,從而實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞結(jié)構(gòu)的光學(xué)操作。這項(xiàng)技術(shù)還有望促進(jìn)對多種疾?。ㄈ缣悄虿』虬┌Y)的理解和治療。


研究染色質(zhì)結(jié)構(gòu)

人體內(nèi)的每一個細(xì)胞都含有DNA,它提供了發(fā)育和功能所需的指令。每個細(xì)胞的細(xì)胞核中總共包裹著兩米長的DNA,卻只有幾十微米的大小,再通過將DNA包裝成稱為染色質(zhì)的緊湊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。


染色質(zhì)的基層組織是通過將DNA包裹在稱為組蛋白的蛋白質(zhì)周圍,形成類似“串珠”的線軸狀結(jié)構(gòu)。然后在“連接組蛋白”的幫助下,形成更復(fù)雜的染色體結(jié)構(gòu)?;蚪M的復(fù)雜“包裝”降低了讀取DNA并轉(zhuǎn)錄基因細(xì)胞的可行性。因此,特定基因上染色質(zhì)包裝的不同程度和形狀對其表達(dá)產(chǎn)生了重要影響。連接組蛋白在基因組保護(hù)和表達(dá)中起著關(guān)鍵作用,故障會導(dǎo)致癌癥、自閉癥等嚴(yán)重疾病,但它們?nèi)绾谓Y(jié)合DNA仍然未知。


對這些關(guān)鍵過程缺乏了解源于連接組蛋白的動態(tài)特性。為了克服這個問題,以色列理工學(xué)院的卡普蘭教授在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種基于激光鑷子的獨(dú)特方法,這種方法允許研究人員在激光束的幫助下,捕獲單個染色質(zhì)分子并對其施加力。


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■圖片來源:Unsplash


實(shí)驗(yàn)中,一條DNA鏈以類似拉開拉鏈的方式緩慢地被分離。在組蛋白與DNA的接觸點(diǎn)上,即使以最弱的方式“拉鏈”也會卡住,這時就需要施加更大的力克服組蛋白與DNA接觸或進(jìn)入結(jié)構(gòu)。


通過這種方法,Rudnizky博士和他的同事發(fā)現(xiàn)組蛋白和DNA之間的接觸比以前已知的要廣泛得多。事實(shí)上,染色體比以前認(rèn)為的要大得多。此外,他們發(fā)現(xiàn)接頭組蛋白的結(jié)構(gòu)具有驚人的靈活性,因?yàn)榇嬖趦煞N不同的染色體形狀:一種對稱緊湊,另一種不對稱松弛。


值得注意的是,單個分子中這些形狀間的轉(zhuǎn)換可以由轉(zhuǎn)錄機(jī)制從外部進(jìn)行控制。這表明細(xì)胞利用穩(wěn)定和不穩(wěn)定形式的染色體之間的轉(zhuǎn)換,以受控的方式調(diào)節(jié)對DNA的訪問。鑒于染色體在維持我們基因組的正確表達(dá)方面所起的關(guān)鍵作用,鑒于染色體在人體基因組的正確表達(dá)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用,這些發(fā)現(xiàn)為我們理解染色質(zhì)結(jié)構(gòu)在健康和疾病中的作用,增加了一個重要層次。


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