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

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

光源同時具有熱效應和輻射效應。對普通光源而言，由熱效應所產(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間進行動量傳遞時的力學效應，形成三維光學勢阱。

如今，激光鑷子已經(jīng)應用于生物學、醫(yī)學和材料科學，以組裝和操作納米粒子。然而該技術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聯(lián)。具體來說，當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；但當兩者的折射率相似時，激光鑷子就不大靈了。

■圖片來源：悉尼科技大學

今年3月，悉尼科技大學的研究人員發(fā)明了一種新技術，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。該研究項目負責人Fan Wang博士表示，研究團隊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，該團隊又優(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。采用研究團隊的新技術，在幾十毫瓦激光功率下就能捕獲一個20納米的粒子。此外，團隊發(fā)明的新方法還對水溶液中的納米粒子實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的高靈敏度或“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，研究者對新技術的應用前景十分看好。

澳洲新南威爾士大學的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記為靶向細胞內結構和細胞器，從而實現(xiàn)對細胞結構的光學操作。這項技術還有望促進對多種疾病（如糖尿病或癌癥）的理解和治療。

研究染色質結構

人體內的每一個細胞都含有DNA，它提供了發(fā)育和功能所需的指令。每個細胞的細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包裝成稱為染色質的緊湊結構實現(xiàn)。

染色質的基層組織是通過將DNA包裹在稱為組蛋白的蛋白質周圍，形成類似“串珠”的線軸狀結構。然后在“連接組蛋白”的幫助下，形成更復雜的染色體結構?；蚪M的復雜“包裝”降低了讀取DNA并轉錄基因細胞的可行性。因此，特定基因上染色質包裝的不同程度和形狀對其表達產(chǎn)生了重要影響。連接組蛋白在基因組保護和表達中起著關鍵作用，故障會導致癌癥、自閉癥等嚴重疾病，但它們如何結合DNA仍然未知。

對這些關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，以色列理工學院的卡普蘭教授在實驗室開發(fā)了一種基于激光鑷子的獨特方法，這種方法允許研究人員在激光束的幫助下，捕獲單個染色質分子并對其施加力。

■圖片來源：Unsplash

實驗中，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接觸或進入結構。

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。事實上，染色體比以前認為的要大得多。此外，他們發(fā)現(xiàn)接頭組蛋白的結構具有驚人的靈活性，因為存在兩種不同的染色體形狀：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換可以由轉錄機制從外部進行控制。這表明細胞利用穩(wěn)定和不穩(wěn)定形式的染色體之間的轉換，以受控的方式調節(jié)對DNA的訪問。鑒于染色體在維持我們基因組的正確表達方面所起的關鍵作用，鑒于染色體在人體基因組的正確表達方面發(fā)揮著關鍵作用，這些發(fā)現(xiàn)為我們理解染色質結構在健康和疾病中的作用，增加了一個重要層次。