اندازه‌گیری نیروهای کمی با استفاده از انبرک‌های نوری چگونه از ویژگی‌های مکانیکیِ مولکول‌های زیستی پرده بر می‌دارد؟

بیست سال قبل برای اولین بار نشان داده شد که انبرک‌های نوری ابزاری هستند که برای گستره‌ای از پژوهش‌ها از بیوفیزیک گرفته تا زیست‌شناسی سلولی کاربرد دارند. همچنان که از نامشان پیداست انبرک‌های نوری از پرتوی نوری برای نگه ‌داشتن و دستکاری اشیاء کوچک‌مقیاس همچون مولکول‌های زیستی یا حتی سلول‌های زنده استفاده می‌شوند. این ابزار زمانی ایجاد می‌شود که یک پرتوی لیزری با استفاده از یک عدسی، قویاً به ناحیه‌ای کوچک در فضا متمرکز می‌شود. این ناحیه به تله‌ای اپتیکی تبدیل می‌شود که قادر است اشیاء کوچک را در سه بعد نگه دارد.

انبرک‌های نوری همچنین اندازه‌گیری‌های دقیقی از نیروهای کوچک و زیرِ پیکونیوتن را که بر اشیاء بدام افتاده وارد می‌شود را به انجام می‌رسانند. این ویژگی محققان را قادر می‌سازد تا دینامیک پخشی (یا حرکت براونی) یک جسم را در یک حلال مورد مطالعه قرار دهند؛ ویژگی که می‌تواند نقش مهمی در عملکرد مولکول‌های زیستی بازی کند. انبرک‌های نوری در دستکاری‌های کوچک یک جسم با استفاده از نیروهای کنترل‌شده نیز کاربرد دارد.

بدام انداختن با شسکت نور

نیروهایی که برای به دام‌انداختن یک شی در یک مکان و با استفاده از انبرک‌های نوری استفاده می‌شوند را می‌توان با بررسی چگونگی شکست نور مورد مطالعه قرار داد. نور لیزر به دلیل تمرکز بالا، در مرکز تله شدت می‌یابد و این یعنی اگر جسم اندکی بدور از مرکز در جهت عرضی حرکت کند، یک بخش از جسم بیش‌تر از بخش دیگر موجب شکست نور خواهد شد. در نتیجه جسم بیش از آن‌که نور را به درون هدایت کند، آن را از مرکز دور خواهد ساخت. نور حامل تکانه است و اثر خالص این شکست نیرویی است که بخشی از این تکانه را به دور از مرکز تله منحرف می‌سازد. بر اساس قانون سوم نیوتن، یک نیروی مساوی و در خلاف جهت بر جسم اثر کرده و آن را به سمت مرکز تله هل می‌دهد (شکل یک).

نیروهای درگیر در انبرک‌های نوری

اثر مربوط به شکستِ مشابه دیگری نیز موجب می‌شود تا جسم در خلاف جهت پرتوی لیزری به عقب باز گردد (شکل 1b). این به دام‌اندازی زمانی پایدار خواهد بود که نیروی پرتوی لیزری که از ذره پراکنده می‌شود که در جهت مثبت محور zهاست با نیروی به دام‌اندازی که در جهت منفی محور zهاست جبران شود. برای رسیدن به این هدف به یک نیروی بسیار محکم نیاز است تا کسر قابل توجهی از نور فرودی از زوایای بزرگ وارد شود. این کار را می‌توان با یک عدسی با دیافراگم عددی بالا انجام داد.

انبرک‌های نوریِ حس‌گر نیرو از این قابلیت نیز برخوردارند که حرکت یک جسم را در درون تله ردیابی کنند؛ اطلاعاتی که می‌توان از آن در محاسبه‌ی نیروهای خارجی وارد بر جسم استفاده کرد. نیروهای خارجی (به‌ویژه نیروهای براونی که ناشی از جسمی‌ است که توسط مولکول‌های حلال بمباران می‌شود) تمایل دارند جسم را از مرکز تله جابجا کنند. با استفاده از اندازه‌گیری‌ نور منکسرشده از جسم، این جابجایی‌ها را می‌توان با دقت نانومتر تعیین کرد؛ چیزی که سبب می‌شود تا بتوان نیروهای خارجی را در سطح زیر پیکونیوتن اندازه‌گیری کرد.

چنان نیروهای خارجی به چسبندگی حلال و ویژگی‌های جسم به‌دام‌افتاده بستگی دارند. بعلاوه جسم به‌دام افتاده را می‌توان کشیده یا هل داد و نیروهای درگیر را اندازه گرفت.

انبرک‌های نوری از زمان کشف‌شان با موفقیت بسیاری در زمینه‌ی بیوفیزیک تک‌مولکولی مورد استفاده واقع شده‌‌اند. برای مثال این انبرک‌ها به پژوهش‌گران کمک کرده تا از کشسانیِ پیچیده و دینامیک تاشونده‌ی DNA، RNA، پروتئین‌ها و دیگر زیست‌پلیمرهای با زنجیره‌ی بلند پرده‌برداری کنند. در این آزمایش‌ها، زیست‌پلیمرها معمولاً از دو انتها با معلق‌ساختن آن‌ها بین تله‌ی نوری و یک سطح یا بین تله‌های چندگانه دستکاری می‌شوند. داده‌هایی که از طریق اندازه‌گیری‌ انبرک‌های نوری بدست آمده‌اند، استفاده از دیگر فناوری‌ها برای اندازه‌گیری نیروهای وارد بر تک‌مولکول‌ها (شامل میکروسکوپ نیروی اتمی AFM) را امکان‌پذیر می‌سازند.

انبرک‌های نوری همچنین به درک ما از چگونگی تبدیل انرژی شیمیایی «پروتئین‌های موتوری» همچون کنسنین (kinesin) و میوسین (myosin ) کمک می‌کنند. چنان موتورهای زیست‌شناختی در فواصل نانومتری و با نیروهای پیکونیوتنی عمل می‌کنند. درک و فهم پروتئین‌های موتوری گامی مهم در توسعه‌ی فناوری انبرک‌های نوری دارای حس‌گری نیرو بوده است.

با این وجود تعداد زیادی از آنزیم‌های فعال مکانیکی به این روش مورد مطالعه قرار گرفته‌اند که شامل متابولسیم DNA (فرآیندهای زیست‌شیمیاییِ شامل DNA) می‌شود. اگرچه تعداد مطالعات در این زمینه در حال افزایش است اما هنوز سوالات زیست‌شناختی و زیست‌فیزیکیِ بسیاری برجای مانده که به آن دسته از انبرک‌های نوری مربوط است که شامل مکانیک پیچیدهی تکرار، رونویسی و تعمیر DNA است. هرچند پژوهش‌گران با تمرکز بر روی عمل آنزیم‌های انفرادی در طی این فرآیندها شروع کرده‌اند، اما اقدامات هماهنگ ده‌ها پروتئین که در واکنش های واقعی زندگی رخ می دهد، تا حد زیادی مبهم است.

انبرک‌های نوری را می‌توان در مطالعه‌ی سلول‌های زنده نیز بکار برد. در ابتدا از آن‌ها عمدتاً در مرتب‌کردن، دستکاری، هل‌دادن یا کشیدن سلول‌ها (به شکل کیفی) استفاده شده است. با این حال در سال‌های گذشته، انبرک‌های نوری در اندازه‌گیری‌های کمی سلول‌های زنده یا حول و حوش آن‌ها نیز استفاده شده است. برای مثال از این انبرک‌ها در مطالعه‌ی مکانیک فاگوسیتوز استفاده شده است؛ فرآیندی در آن یک سلول ذرات خارجی را بلعیده و قورت می‌دهد!

سیستم دم‌دستی و آماده بکار

اخیراً ابزار JPK آلمان پلتفرم آزمایشگاهی NanoTracker را معرفی کرده است. در این ابزار اولین سیستم انبرک‌ نوری برای آزمایش‌های علوم زیستی طراحی شده و می‌تواند ذرات را از میکرومتر تا چند ده نانومتر بدام انداخته و اندازه‌گیری نماید.

این سیستم فشرده بر اساس یک میکروسکوپ نوری تجاری معکوس (همچون مشاهده‌گر Axio-شکل ۲) ساخته شده است. چیدمان NanoTracker به شکل طرح‌وار در شکل ۳ نشان داده شده است.

NanoTracker

دو تله‌ی نوری با استفاده از یک لیزر ایجاد می‌شوند که دو مسیر پرتوی مجزا را بوسیله‌ی قطبش ازهم جدا شده‌اند، هدایت می‌کند. بدنه‌ی این میکروسکوپ سفارشی از یک سطح انتقال دهنده (موتوری) در جهت XY ساخته شده و هم از یک سطح پیزوی حلقه‌ی ‌بسته 100×100×100 میکرومتر مربعی تشکیل شده است.

یک واحد تشخیصیِ بر پایه‌ی دیودهای نوری بر روی این میکروسکوپ سوار شده تا نیروها و جابجایی‌های سه بعدی را برای دو تله (شکل ۳) آشکارسازی کند. برای افزایش حساسیت، آشکارسازهای جداگانه برای آشکارسازیِ جانبی (XY) و محوری (Z) طراحی شده‌اند. بعلاوه آشکارسازیِ محوری با استفاده از یک قفل روزنه‌ که پرتوهای با زاویه‌ی بزرگ را پس می‌زند ارتقاء یافته است.

طرح‌واره‌ای از NanoTracker

اگرچه این پلتفرم برای برطرف ساختن نیاز دانش‌مندانی طراحی شده است که در حال گسترش مرزهای بیوفیزیک تک‌مولکولی هستند اما ابزاری همه‌کاره، کاربرپسند و به حد کافی ایمن است تا حتی پژوهش‌گرانی هم که با لیزر و اپتیک کار نمی‌کنند بتوانند از آن استفاده کنند. به همین ترتیب، NanoTracker گستره‌ی وسیعی از ملزومات دستکاری کیفی در ابعاد نانو را پوشش می‌دهد. با NanoTracker انبرک‌های نوری از یک ابزار تخصصی پژوهشی که توسط متخصصان استفاده می‌شود به سیستمی در دسترس تحول یافته که قادر است به جامعه‌ی وسیعی از پژوهش‌گران علوم زیستی خدمت کند.

درباره‌ی نویسنده:

جوست ون مامرن (Joost van Mameren) دانش‌مندی در JPK Instruments AG برلین است.

منبع:

Optical tweezers: where physics meets biology