Οι οπτικές λαβίδες και η χρήση τους στην βιολογία. - 5ο μέρος

Οι οπτικές λαβίδες και η χρήση τους στην βιολογία.

Τα τελευταία χρόνια η εργασία πάνω στην παγίδευση ατόμων έχει διεγείρει το ενδιαφέρον στην ελεγχόμενη καθοδήγηση και άλλων ουδέτερων σωματίων.
Οι βασικές αρχές της παγίδευσης ατόμων μπορούν να εφαρμοστούν σε σωμάτια μεγέθους μερικών μικρομέτρων όπως σφαιρίδια από πολυστυρένιο. Το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο στο κέντρο μιας εστιασμένης δέσμης laser πολώνει τα σωματίδια, όπως ακριβώς πολώνει ένα άτομο. Το σωματίδιο, σαν το άτομο, θα απορροφήσει επίσης φως διακριτών συχνοτήτων. Το γυαλί για παράδειγμα, απορροφά ισχυρά υπεριώδη ακτινοβολία. Αλλά όταν η συχνότητα του φωτός συντονίζεται κάτω από την συχνότητα απορρόφησης, το σωματίδιο θα οδηγηθεί στην περιοχή της μέγιστης έντασης του laser.

Το 1986 οι Ashkin, Bjorkholm, J.B.Dziedzic και εγώ δείξαμε ότι τα σωμάτια των οποίων το μέγεθος κυμαίνεται μεταξύ 0,02 και 10 μικρών μπορεί να παγιδευτεί σε μια απλή εστιασμένη δέσμη. Το 1970 ο Ashkin παγίδευσε ελαστικά σφαιρίδια μεγέθους μικρομέτρου που αιωρούνταν στο νερό, μεταξύ δύο εστιασμένων δεσμών φωτός που διαδίδονταν αντίθετα. Αλλά μόνον πολύ αργότερα αναγνωρίστηκε ότι αν μια απλή δέσμη εστιαζόταν σε πολύ στενή περιοχή, η δύναμη επί των διπόλων θα αρκούσε για να υπερνικήσει τη σκεδάζουσα δύναμη που σπρώχνει τα σωματίδια κατά τη διεύθυνση διάδοσής της.

Σχήμα 1

Το μεγάλο πλεονέκτημα της χρήσης μιας μόνο δέσμης είναι ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν οπτική λαβίδα για να κατευθύνουμε μικροσκοπικά σωμάτια. Οι οπτικές λαβίδες μπορούν εύκολα να ολοκληρωθούν και με ένα συμβατικό μικροσκόπιο, εισάγοντας το φως στο σώμα του μικροσκοπίου και εστιάζοντάς το με τον αντικειμενικό φακό. Ένα δείγμα που τοποθετείται σε μια συνηθισμένη καλυπτρίδα μικροσκοπίου μπορεί συγχρόνως να παρατηρηθεί και να καθοδηγηθεί με τη μετακίνηση της εστιασμένης δέσμης laser.
Μια εφαρμογή της οπτικής λαβίδας, που ανακαλύφθηκε από τους Dziedzic και Ashkin έχει αιχμαλωτίσει τη φαντασία των βιολόγων. Είδαν ότι με την οπτική λαβίδα μπορούμε να χειριστούμε βακτήρια και άλλους οργανισμούς χωρίς να τους καταστρέψουμε. Η δυνατότητα να παγιδεύσουμε ζωντανούς οργανισμούς χωρίς να τους βλάψουμε, προκαλεί έκπληξη, αν σκεφτούμε ότι η τυπική ένταση μιας δέσμης laser στο σημείο εστίασης της οπτικής λαβίδας είναι 10.000.000 Watt/cm². Αποδεικνύεται ότι όταν ο οργανισμός είναι σχεδόν διαφανής στη συχνότητα του φωτός της παγίδας, μπορεί να ψυχθεί αποτελεσματικά από το νερό που το περιβάλλει.

Πολλές εφαρμογές έχουν βρεθεί για την οπτική λαβίδα. Ο Ashkin έδειξε ότι αντικείμενα εντός του ζώντος κυττάρου μπορούμε να τα διαχειριστούμε ψωρίς να τρυπήσουμε την κυτταρική μεμβράνη. Ο Steven M. Blockκαι οι συνεργάτες του στο Ινστιτούτο Rowland του Cambridge Mass. Και στο πανεπιστήμιο Harvard έχουν μελετήσει τις μηχανικές ιδιότητες των βακτηρίων fla-gella. O Michael W.Berns και οι συνεργάτες του στο πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Irvine έχουν διαχειριστεί χρωμοσώματα εντός κυτταρικών πυρήνων.

Οι οπτικές λαβίδες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εξετάσουμε ακόμα μικρότερα βιολογικά συστήματα. Οι συνεργάτες μου Robert Simmons, Jeff Finner, James A. Spudich και εγώ έχουμε εφαρμόσει τις οπτικές λαβίδες για να μελετήσουμε τη συστολή των μυών σε μοριακό επίπεδο. Παρόμοιες μελέτες έχου γίνει επίσης από τον Block και τον Michael P. Sheetz στο πανεπιστήμιο Duke. Ένας από τους στόχους αυτής της δουλειάς είναι να μετρηθεί η δύναμη που ασκείται από ένα μόριο μυοσίνης το οποίο έλκει ένα νήμα ακτίνης που το κοντράρει. Εξερευνούμε αυτόν τον μοριακό κινητήρα, κολλώντας ένα σφαρίδιο από πολυστυρένιο σ’ ένα νήμα ακτίνης και χρησιμοποιώντας την οπτική λαβίδα για να ασκήσουμε δύναμη στο σφαιρίδιο. Όταν η κεφαλή της μυοσίνης κτυπά το νημάτιο της ακτίνης αισθανόμαστε την κίνηση με μια φωτοδίοδο στο φακό παρατήρησης του μικροσκοπίου. Ένα κύκλωμα με ανάδραση κατευθύνει τότε την οπτική λαβίδα να τραβήξει την μυοσίνη ώστε να εξουδετερώσει κάθε κίνηση. Με τον τρόπο αυτό έχουμε μετρήσει την δύναμη τάσης της μυοσίνης.

Σε ακόμη μικρότερη κλίμακα, οι Spudich,Steve Kron, Elizabeth Sunderman, Steve Quake και εγώ κατευθύνουμε ένα απλό μόριο DNA προσκολλώντας σφαιρίδια πολυστυρενίου στα άκρα μιας λωρίδας του DNA και συγκρατώντας τα σφαιρίδια με οπτικές λαβίδες. Μπορούμε να παρατηρήσουμε το μόριο καθώς το τραβάμε, βαφοντας το DNA με χρωστικές, φωτίζοντας τη χρωστική με πράσινο φως από laser Αργού και ανιχνεύοντας τον φθορισμό με μια ευαίσθητη βιντεοκάμερα. Στα πρώτα μας πειράματα μετρήσαμε τις ελαστικές ιδιότητες του DNA. Τα δύο του άκρα τραβήχτηκαν προς αντίθετες κατευθύνσεις έως ότου το μόριο ξετυλίχτηκε στο πλήρες μήκος του, και τότε ένα από τα άκρα αφέθηκε ελεύθερο. Μελετώντας τον τρόπο με τον οποίο το μόριο του DNA ξανατυλίγεται, μπορούμε να ελέγξουμε βασικές θεωρίες για την φυσική των πολυμερών μακρυά από την κατάσταση ισορροπίας τους.

Πάνε μόνο λίγα χρόνια αφότου οι ερευνητές κατάφεραν να σταματήσουν τα άτομα, να τα συλλάβουν μέσα στις οπτικές μολάσσες και να κατασκευάσουν τις πρώτες ατομικές παγίδες. Οι οπτικές παγίδες για να παραφράσουμε ένα δημοφιλές διαφημιστικό σλόγκαν, μας έκαναν ικανούς να φτάσουμε και να ακουμπήσουμε σωματίδια με δυναμικούς νέους τρόπους. Δείξαμε ότι αν μπορούμε να “δούμε” ένα άτομο ή μικροσκοπικό σωματίδιο, μπορούμε και να το κρατήσουμε, ασχέτως αν μεσολαβούν διάφορες μεμβράνες. Έχει αποδειχτεί μια προσωπική ικανοποίηση να δούμε πως οι εικασίες στην περιοχή της ατομικής φυσικής έχουν ανθίσει: οι τεχνικές και οι εφαρμογές της ψύξης και της παγίδευσης με laser έχουν πάει πολύ μακρύτερα απ’ όσο ονειρευόμαστε εκείνες τις πρώτες μέρες της έρευνας. Τώρα πια έχουμε στα χέρια μας καινούργια εργαλεία για τη φυσική, τη χημεία και τη βιολογία.

Ο συγγραφέας
O STEVEN CHU είναι καθηγητής φυσικής στην έδρα Theodore και Frances Geballe στο πανεπιστήμιο του Stanford. O CHU πήρε το Nobel φυσικής το 1997 μαζί με τους TANNOUDJI και PHILLIPS.