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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(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家Arthur Ashkin、法國(guó)科學(xué)家Gerard Mourou和加拿大科學(xué)家Donna Strickland，以表彰他們?cè)诩す馕锢眍I(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”。

在顯微鏡下，當(dāng)你觀察原子、分子或者細(xì)胞時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們無(wú)時(shí)無(wú)刻地在做運(yùn)動(dòng)。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(duì)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(shí)具有熱效應(yīng)和輻射效應(yīng)。對(duì)普通光源而言，由熱效應(yīng)所產(chǎn)生的壓力比由單純動(dòng)量交換產(chǎn)生的輻射壓力大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，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(dòng)量傳遞時(shí)的力學(xué)效應(yīng)，形成三維光學(xué)勢(shì)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(lái)說(shuō)，當(dāng)被捕獲粒子的折射率與周圍環(huán)境不一致時(shí)，激光鑷子比較好用；但當(dāng)兩者的折射率相似時(shí)，激光鑷子就不大靈了。

■圖片來(lái)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(shí)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(guò)用稀土金屬離子摻雜納米晶體來(lái)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(gè)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(gè)20納米的粒子。此外，團(tuán)隊(duì)發(fā)明的新方法還對(duì)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(jì)。因此，研究者對(duì)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(jí)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(duì)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(duì)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(gè)細(xì)胞都含有DNA，它提供了發(fā)育和功能所需的指令。每個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞核中總共包裹著兩米長(zhǎng)的DNA，卻只有幾十微米的大小，再通過(guò)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(guò)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(duì)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(huì)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(duì)這些關(guān)鍵過(guò)程缺乏了解源于連接組蛋白的動(dòng)態(tài)特性。為了克服這個(gè)問(wèn)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(gè)染色質(zhì)分子并對(duì)其施加力。

■圖片來(lái)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(huì)卡住，這時(shí)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(guò)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(duì)稱緊湊，另一種不對(duì)稱松弛。

值得注意的是，單個(gè)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(duì)DNA的訪問(wèn)。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(gè)重要層次。