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谁能操控你的基因

2020-01-21 15:25  来源:澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 返朴 返朴
撰文 | 姜全博(法国国家研究中心菲涅尔研究所助理研究员)
著名科幻作家刘慈欣先生有一部让人印象深刻的科幻小说《微纪元》,讲述了未来人类通过基因改造和纳米技术变成了微人类。所谓“微人类”就是和细菌一样大小的人种,它们能看到我们(在小说中要被称为是“宏人”了)现在肉眼看不到的显微镜下的世界,它们可以直接抵御细菌、病毒做到百毒不侵,同时也可以随时检测自己的基因复制,支配蛋白质运转。
微人类的幻想对于人类的现实来说自然是遥不可及的,不过我们在微小的尺度上实现对原子、分子的操纵,正是著名物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)当年的大胆畅想,也恰是当今我们称之为单分子科学领域关注的主要内容。
话说回来,要操纵分子尺度的东西,就要动用跟其尺寸相当的家伙,光学镊子(optical tweezers)是一个能让人想到的实现此目的的利器。感兴趣的读者可能知道,传统光镊是利用激光的力学效应(精度可达皮牛pN(10-12 N)到飞牛fN(10-15 N)的数量级),对需要研究的微粒进行非接触、无损伤观察或者操纵,一旦微粒落入光学梯度力势阱(optical gradient potential wells),就很难从中心逃脱,为很多活体实验提供了便利,从而在生命科学等领域取得了非常广泛的应用。因此2018年诺贝尔物理学奖的一半授予了对光镊做出杰出贡献的阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)。
图1 著名物理学家费曼对人类在分子、原子尺度的研究充满信心
传统光镊操控微米尺度的东西可以说是毫不费力了(不过跟下面要说的操纵分子尺度的东西所使的力比起来,其实花的力气不小),那么是不是就可以一劳永逸地拿它来拨弄更小的分子、原子了呢?(毕竟杀鸡用牛刀也不是不可以。)遗憾的是,这个问题的答案是No。要操纵分子,传统光镊会冒出一系列纷繁复杂的问题:首先我们知道光产生的梯度力与微粒尺寸的立方以及势阱的深度成正比,那么当我们需要研究的微粒到达亚波长(sub-wavelength)尺度的时候(如单个DNA和蛋白质的大小都在几纳米到几十纳米的量级),传统光镊产生的力就不足以满足稳定捕获(stable trapping)的条件,除非不断增加激光的强度来增加势阱深度,但当光镊激光能量达到很高的时候,往往带来热效应或者光毒性,这会摧毁需要观察或者操纵的单分子样品[1, 2]。另外,如果想精准操控纳米尺度的微粒,还需要更窄的势阱,但是光存在衍射极限(diffraction limit),一般估计为半波长,假如用对样品伤害比较小的近红外激光(near infrared)来作光镊,那么势阱最窄只能达到400-500 nm左右。这时如果需要观察和操纵的微粒是10 nm,那么我们就只有1/40的准确度,这就好比给你一个大铲子,让你去找到米缸里特定的一粒米,难度不言而喻。
因细小,而激荡
那么有没有办法既利用较低的激光强度同时还能捕获更小的微粒呢?贪心虽不易得,两全可成其美,主角闪亮登场:2018年诺贝尔奖得主阿瑟·阿什金提出了传统光镊的改进加强版——纳米光镊(nano-optical tweezers),又称表面等离子体光镊(plasmonic optical tweezers)。
可能大家对表面等离子体(plasmonics)这个词相对比较陌生,我们稍后提到原理的时候再细说。这一加强版本与传统光镊相比有何不同呢?简单来说它就只是在传统光镊的衬底上镀了一层贵金属薄膜,比如金、银或者铝(今时今日铝不贵重了哈),之后再用聚焦离子束(FIB)在金属表面刻蚀出纳米尺度的小孔或者其他结构,此时如果需要观察或者操纵的微粒落入此小孔中,表面等离子体光镊就可以施展拳脚了。
想明白为什么加了一个在金属表面的小孔就能实现捕获更小尺度的微粒,我们就不得不提表面等离子体了。其实人类早在中世纪就可能是无意识地在利用表面等离子体的一些性质了,如下图这些色彩斑斓的马赛克玻璃(拍摄于巴黎的Sainte-Chapelle教堂),只是通过掺杂了不同的金属颗粒就呈现出了不同的颜色(当然要在光照下),也只是在近几十年来人们才逐渐认识到背后是表面等离子体在炫技,于是就有意识地让它在越来越多的领域里(例如光信息技术、生物传感、显微镜成像和光子学器件)大放异彩。此处我们略去繁琐的公式,单纯从科普的角度来讲讲表面等离子体何以有如此威力。
首先,我们来解答为何玻璃会有不同的颜色。我们知道爱因斯坦的诺奖工作是关于光电效应的:光或者光子(photons)是携带能量的,如果光子照射到一层金属表面,一定条件之下金属表面可以出射电子。但彩色玻璃里面仅仅是掺杂了一些金属颗粒,整体不能构成导体,当被光照射的时候,颗粒之中只能产生电子振荡(如下图)。我们以金(Au)来举例,玻璃里掺杂金的小颗粒很喜欢绿色,一旦看见(吸收)绿光,其中的电子就开始激动不已,然后一起摇摆起来,自然光中绿色波长的能量就被金粒子吸收储存起来,在玻璃的另一边看,只能看见大多数没有被吸收的红光。那些一起摇摆的金颗粒中的电子,我们就称之为表面等离子体(surface plasmons),当然如果是一层金属膜,电子集体振荡相互影响也可看成一种波在金属和电介质的交界面传播,我们又称之为传播表面等离子体(propagating surface plasmons)。
图2 (a)巴黎教堂的马赛克玻璃,色彩是从哪里来的?(b)对彩色马赛克玻璃展现不同颜色的原理示意图 |Copyright:2017, Quanbo JIANG
大致了解了主角的来路,我们进一步概述一下表面等离子体的新奇作用:首先,选择性吸收和散射。这个很好理解,不同金属颗粒,不同大小都会对不同颜色的光敏感,这个优势已经应用在传感器的领域。第二、电磁波的亚波长束缚。这个也不难理解,当光子能量与表面等离子体耦合,相当于能量储存成为了表面等离子体,并且限域于纳米结构表面,从而突破了光学的衍射极限(diffraction limit),此优势多应用于激光聚焦或者光子通信等等。最后,局域电场增强。当金属中电子集体共振接近纳米结构(纳米小孔或者是纳米颗粒)和电介质边界的时候,会产生一个巨大的电场增加,当然这种电场增加只是局域性的,也就是通常金属表面几十到几百纳米的距离(一般称之为近场,near field),此优势多运用于表面增强光谱或者表面等离子体光镊等。
谁动了你的基因?
表面等离子体光镊存在几种不同的纳米孔隙(nano-apertures),像单孔、双孔、领结孔等[3, 4, 5],但其实原理都大同小异。当我们想要镊取的纳米微粒或者是一段DNA、蛋白质等落入纳米小孔中间的时候,在一束激光的照射下,小孔附近就会出现高达一百倍的电场增强,因此表面等离子体光镊就只需要用比传统光镊小一百倍的激光强度[6],就可以将这些小东西擒拿。同时,借住荧光或者透射等光学细微变化,可以确定是否成功捕获了需要镊取的物体。当然孔隙的大小不是一拍脑袋就想出来的。首先,孔隙不能太大,不然会导致进入多个需要镊取的物体。(这里需要强调的是,通常这些纳米微粒DNA或者蛋白质都是以高浓度的形式存在在生理盐水或者一些生物缓冲剂中,所以此时纳米光镊的好处又多了一条,我们不用借助低浓度的液体来镊取单个分子。)当然也不能小于需要镊取物体的大小,不然镊取成功的几率会大大降低。其次需要通过大量数值模拟和实验,找到最大的电场增强以及最大的透射强度,这时的透射最大强度是根据需要镊取物体介于孔隙之间找到的,这时纳米光镊能达到最佳效果,我们称之为自诱导背作用光镊(self-induced back-action,简称SIBA trapping)[7],也是当下用最小激光能量镊取最小微粒的纳米光镊,此类纳米光镊可以镊取最小2 nm的微粒。
图3 (a)传统光镊的示意图,只靠光学聚焦的激光。(b)纳米光镊的示意图,需要外加金属薄膜以及纳米孔隙 | Copyright: 2004 American Chemical Society.
在这样一个精确工具的帮助下,人类对DNA和蛋白质的研究将会变得更加容易:首先,纳米光镊捕获的DNA不仅可以用来测序而且还可以对需要的部分进行基因修饰,正所谓检测加改造一次性完成。在DNA折纸技术(DNA Origami)中,纳米光镊同样可以强制把短DNA片段根据需要拼接在一起,填补化学自组装中一些难以实现的问题。其次,纳米光镊通过长时间捕获蛋白质,同时借助荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer)可以做到实时监控蛋白质的结构动力学,帮助人们了解蛋白质到底是如何作为纳米机器人在人体内运转,如何折叠成复杂的多维结构等。同时,借助纳米光镊产生的热量(因为是纳米尺度,所以热量可以做到在一个很小的范围内,这样不会影响到周围其他不需要研究的分子),还可以观察温度的变化对蛋白质结构的影响以及一些需要热量的化学反应。最后,纳米光镊对于病毒的分析可以直接进入RNA层面,通过影响蛋白质的功能,甚至可以影响病毒的寄生机理。相信在不久的将来,科幻中的场景也许就会实现,我们可以更直观地了解DNA是如何转录,蛋白质是如何运转如何折叠,病毒细菌或者癌细胞也会被我们用纳米光镊清扫干净…...
图4 纳米光镊正在实现单个DNA的镊取以及其结构特性的分析|Copyright:2013 nature nanotechnology.
参考文献
[1] Crozier, K.B. Quo vadis, plasmonic optical tweezers?. Light Sci Appl 8, 35 (2019).
[2] Q. Jiang et al. Temperature measurement in plasmonic nanoapertures used for optical trapping. ACS photonics, 6, 1763-1733 (2019).
[3] M. L. Juan et al. Plasmon nano-optical tweezers. Nature Photon 5, 349–356 (2011).
[4] A. Kotnala et al. Quantification of High-Efficiency Trapping of Nanoparticles in a Double Nanohole Optical Tweezer. Nano Lett. 14, 2, 853-856 (2014).
[5] D. Punj et al. A plasmonic ‘antenna-in-box’ platform for enhanced single-molecule analysis at micromolar concentrations. Nature Nanotech 8, 512–516 (2013).
[6] E. S. Kwak et al. Optical trapping with integrated near-field apertures. J. Phys. Chem. B 108, 13607–13612 (2004).
[7] M. L. Juan et al. Self-induced back-action optical trapping of dielectric nanoparticles. Nature Phys 5, 915–919 (2009).
原标题:《谁能操控你的基因》
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