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为什么光镊技术能获得诺贝尔奖的不专业解读

版权所有,转载请联系基因市场部
2019-06-28

诺奖的不专业解读


 作为科学领域顶尖的奖项,诺奖始终是所有科研工作者的终极追求。虽然不是每个人都能站在这个奖项的领奖台上,但这并不妨碍我们站在巨人的肩膀上,借助巨人的成就来帮助科研工作的进行。今天我们就借2018年物理学奖来看看这些科研领域顶尖学者的神操作。





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第一话 谁拿了诺奖

斩获诺奖的三位科学家肖像,来源:诺奖官网


2018年诺贝尔物理学奖授予了发明光镊(Optical Tweezers)技术的美国物理学家阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin),以及开创了啁啾脉冲放大技术的唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland)、 热拉尔·穆鲁(Gérard Mourou)。


作为分享了二分之一奖项的光镊技术已经在科研领域被广泛应用,但对大众来讲这一概念仍然遥远而神秘,那么接下来就让我们跟随大佬的神操作来认识下神奇的光镊。



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第二话 什么是光镊?

光镊系统

光学镊子是用光来操纵物体的一种技术手段。可以对微小的物体如细胞、细胞器、生物大分子等进行夹持、操纵及微加工,是理想的微观分子研究工具。同时还可以精确地测量施加在被捕获物体上的力。通常可以获得纳米空间分辨率,皮牛顿力分辨率和毫秒时间分辨率,非常适合研究从单细胞到单分子水平的生物过程。

1986年阿瑟·阿什金公开了他的第一代光镊,并在随后的研究中成功的用光控制并固定住了细菌,而且没有伤害到细菌,这一突破性的进展极大的促进了生命科学研究的精度和深度。


中学物理中,我们已经了解了光同时具有波和粒子的双重性质,所谓波粒二象性。好比我们把弹性小球扔向靶子,小球打到靶子之后弹回,同时靶子也会受到力。其实光也有这个特性,光照射到物体之后反射,被照射到的物体也会受到力,这种力就叫光压。


那么,为什么我们每天都在接触光,但我们丝毫没有感觉到光的力量呢?原因就在于强度,日常环境下,普通光线照射到物体之后更多表现在发热上,那种光压产生的力实在微弱到难以测量。但如果不是普通光线,而是激光的话,光压的效应就会明显很多。


我们没有被强烈的日光或者灯光击倒的原因就在于光的压力大概仅仅在10亿分之一到100亿分之一牛这个数量级,所以说能用身体感受到光压的人显然是不存在的(还不是因为月半)。


当然,越是微小的物体,就越容易被微小的力所撼动。例如人体细胞或者微生物如红细胞、细菌等等都对光压非常敏感。来自光的微小压力可以让微小的物体在不受破坏的前提下进行移动。



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第三话  光镊是怎么工作的

△光镊系统示意图,红色代表控制光路,蓝色代表照明光路,操纵室位于中间,最右侧代表位置测量装置,来源:公有领域


我们知道激光的特性之一就是可以被汇聚到一个十分微小的光斑上,这是普通光源所无法实现的。对于所要操控的微小物体来说,这种激光束汇聚形成的强聚焦光斑会形成一个类似"陷阱"的结构(称为三维光学势阱),微粒将会被束缚在其中。


△激光汇聚在束流最细处(称为"光腰"),微粒将在此处被俘获于三维光学势阱,来源:公有领域


一旦微粒偏离这个"陷阱"中的能量最低点(即位置的稳定点),就会受到指向稳定点的恢复力作用,好像掉进了一个无法摆脱的"陷阱"一般。如果移动聚焦光斑,微粒也会随之移动,因此便能实现对微粒的捕获和操控。




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最终章  为什么光镊能拿诺奖

光镊技术在科学研究领域已经有了相当广泛的应用,涉及医学、生命科学、环境科学等多个学科。例如在医学领域,光镊出现之后,使得能够在不接触被测物体并且不对被测物体造成破坏的情况下,三维立体地观察和操控极微小的物体。举个有意思的例子,中国科学技术大学李银妹老师组的研究工作:在活体状态下完成用光镊操控小鼠体内的红细胞。该课题组利用光镊成功完成了拦截毛细血管中的红细胞造成堵塞,形成血栓的过程。在这个过程中可以看到血流逐渐减慢,红细胞堆在光镊处使血流停止。更有意思的是在血栓形成之后用光镊清除血栓。通过光镊移动红细胞+清理血栓这项研究可以说是把光镊非接触、不破坏被测物体的特性发挥到了极致。

光镊系统活体状态下操控小鼠体内红细胞的运动


医学领域对光镊技术的使用当然不仅仅局限于细胞层面,细胞之间蛋白相互作用同样是研究人员关注的热点,有研究人员利用光镊测量涂有特定蛋白质的微球之间的结合力来研究乙型肝炎表面抗原(HBsAg)与其抗体(抗-HBs)之间的相互作用。发现了蛋白质包被的微球之间的相互作用力受到周围液体介质的酸度以及实验温度的强烈影响。


不同光阱下包被蛋白微球的光学图像


在生命科学领域,同样是光镊技术大展拳脚的地方,例如在植物生理研究中,就有科研人员通过光镊实现了微米级粒子的激光捕获。 实现了在细胞质内捕获和操纵细胞器并重塑细胞质和膜系统的结构。通过光镊操纵植物细胞细胞质内的如高尔基体等细胞器。重塑了叶片中的皮层ER网络,并确认ER和高尔基体之间的连接以及ER锚点的存在。光镊对胞内各种物质可实现在无损条件下分离,给之后的精密分析创造良好的条件。

拟南芥叶表皮细胞中高尔基体的光学捕获


此外,在操控的同时,鉴于激光波长良好的稳定性和高精度,光镊还可以同时获得大量空间测量数据。驱动蛋白是一种双头ATP依赖性运动蛋白,它以8 nm的不连续步长沿着微管移动。在从微管释放之前,通常需要大约100步。那么每步消耗多少ATP分子?科研人员利用光镊通过干涉测量法以高精度空间和时间分辨率跟踪携带在微管上移动的单分子驱动蛋白的微球。测量了驱动蛋白在微管上行走的距离数据,从而推算出驱动蛋白每走一步的能量正好相当于一个ATP水解所释放的能量,堪称光镊操控性和测量性结合的绝好案例。


△驱动蛋白在细胞支架上搬运囊泡的示意图,来源:百度百科"驱动蛋白"条目

光镊技术除上述提到的外还有如环境科学领域水质检测上的应用,光镊可以精确地分离水中的多种微小生物,进而得到精确的检测结果。另外在很多热点应用如癌症研究中,癌症细胞和正常体细胞间相互作用关系研究上可发挥重要作用。细胞间的相互聚集所造成的微环境变化对癌细胞的影响一直都是难以攻克的难关。借助光镊系统,这一医学研究领域上的难题也许能有一个不一样的突破口。


正如2018年诺贝尔物理学奖获得者、光镊技术发明者Arthur Ashkin所说:将细胞器从它正常位置移去的能力,为我们打开精确研究细胞功能的大门!相信随着光镊技术更广泛的应用,光镊技术必然会带来更多精彩纷呈的科研成果。


参考文献:

1 科普中国 2018年10月2日文章

2 Zhou Z L , Tang B , Ngan A H W , et al. Hepatitis B surface antigen??antibody interactions studied by optical tweezers[J]. Iet Nanobiotechnology, 2012, 6(1):9-0.

3 Schnitzer M J , Block S M . Kinesin Hydrolyses One ATP per 8-nm Step[J]. Nature, 1997, 388(6640):386-390.

4 Hawes C , Osterrieder A , Sparkes I A , et al. Optical tweezers for the micromanipulation of plant cytoplasm and organelles[J]. Current Opinion in Plant Biology, 2010, 13(6):731-735.


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最最终章 广告时间


既然光镊技术这么厉害,那有没有专业的老司机带路帮助我们广大的科研工作者尽快的使用上这项技术呢?答案当然是没有---那是不可能的。



德国Molecular Machine & Industries (MMI)是专门致力于将显微操作技术与高精度激光技术相结合应用于生命科学领域的一家专业公司,其标志性产品MMI CellCut激光显微切割系统、CellEctor单细胞分选系统和CellManiuplator Plus光镊系统成为目前世界上性能最优异的样本处理系统。基因有限公司作为一家专业性的生命科学仪器、试剂供应商,自1992年成立以来一直秉承着“Let Professionals Serve Professionals”的宗旨,力求将最先进的技术方法推荐到国内,为广大客户提供包括技术咨询、产品选配、售后培训及维护的专业服务体系,并作为MMI全国性代理商,可为感兴趣的客户提供专业的产品咨询、技术答疑及联系试用等,欢迎大家前来咨询。


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