生物学研究における「レーザーピンセット」の現状と進捗状況

2018年10月2日、スウェーデン王立科学アカデミーは、レーザー物理学の分野における画期的な発明が認められ、アメリカの科学者アーサーアシュキン、フランスの科学者ジェラールムルー、カナダの科学者ドナストリックランドにノーベル物理学賞が授与されたことをストックホルムで発表しました。 。 その中で、アーサー・アシュキンの貢献は「光ピンセットとその生物系への応用」であり、ジェラール・ムロウとドナ・ストリックランドの貢献は「高密度超短光パルスを生成する方法」です。

顕微鏡で原子、分子、細胞を見ると、常に動いていることがわかります。アーサー・アシュキンは、科学者がよりよく研究できるように、光ピンセットがこれらの小さな物質を空間に固定できる限り、レンズとレーザーを使用して一種の「光ピンセット」を作成しました。



光源には、熱効果と放射効果の両方があります。通常の光源の場合、熱効果によって発生する圧力は、純粋な運動量交換によって発生する放射圧よりも数桁大きいため、十分な放射圧を得るのは困難です。レーザーの出現はこの状況を変え、光の放射圧を完全に反射できるようになりました。レーザーピンセットは、レーザーと物質の間の運動量伝達の機械的効果を利用して、3次元の光ポテンシャル井戸を形成します。



今日、レーザーピンセットは、生物学、医学、および材料科学でナノ粒子を組み立てて操作するために使用されています。しかし、この技術は依然としてかなりの課題に直面しています。レーザーピンセットの使用の成功は、捕捉された粒子と周囲の環境の屈折特性の違いに直接関係しています。具体的には、捕捉された粒子の屈折率が周囲の環境と一致しない場合は、レーザーピンセットを使用する方が適切ですが、2つの屈折率が類似している場合、レーザーピンセットはあまり効果的ではありません。
3000mwレーザーポインター


今年の3月、シドニー工科大学の研究者は、レーザーピンセットを使用して背景環境と同じ屈折率の粒子を操作できる新しい技術を発明しました。研究プロジェクトの責任者であるファン・ワン博士は、研究チームは希土類金属イオンを使用してナノ結晶をドープし、ナノ粒子の屈折と発光を制御したと述べました。その後、チームはイオンドーピング濃度を最適化して、より低いエネルギーレベルでナノ粒子を捕捉し、効率を30倍に高めました。



これまで、20ナノメートルの金粒子を捕捉するには、数百ミリワットのレーザー出力が必要でした。研究チームの新技術を使用して、20ナノメートルの粒子を数十ミリワットのレーザー出力で捕捉することができます。さらに、チームによって発明された新しい方法は、水溶液中のナノ粒子に対して記録的な高感度または「剛性」も達成しました。新しい方法で発生する熱はごくわずかであることに注意してください。したがって、研究者は新技術の応用の見通しについて非常に楽観的です。



オーストラリアのニューサウスウェールズ大学のPeterReece博士は、高効率のナノスケールフォースプローブを開発する見通しは刺激的であると述べました。彼は、細胞構造の光学的操作を達成するために、力プローブを標識して細胞内構造と細胞小器官を標的にすることができることを望んでいます。この技術は、糖尿病や癌などのさまざまな病気の理解と治療を促進することも期待されています。



クロマチン構造の研究

人体のすべての細胞にはDNAが含まれており、DNAは発達と機能の指示を提供します。合計2メートルのDNAが各細胞の核に包まれていますが、サイズはわずか数十ミクロンです。これは、DNAをクロマチンと呼ばれるコンパクトな構造にパッケージ化することで実現されます。



クロマチンの基本的な構成は、ヒストンと呼ばれるタンパク質の周りにDNAを巻き付けて、「ビーズ」に似たスプールのような構造を形成することによって形成されます。次に、「接続されたヒストン」の助けを借りて、より複雑な染色体構造が形成されます。ゲノムの複雑な「パッケージング」は、DNAの読み取りと細胞からの遺伝子の転写の実現可能性を低下させます。したがって、特定の遺伝子のクロマチンパッケージングのさまざまな程度と形状は、それらの発現に重要な影響を及ぼします。接続されたヒストンは、ゲノムの保護と発現に重要な役割を果たします。機能不全は、癌や自閉症などの深刻な病気につながる可能性がありますが、それらがDNAにどのように結合するかはまだ不明です。



これらの重要なプロセスの理解の欠如は、ヒストンをリンクする動的な特性に起因します。この問題を克服するために、テクニオンイスラエル工科大学のカプラン教授は、研究室でレーザーピンセットに基づく独自の方法を開発しました。この方法により、研究者は個々のクロマチン分子を捕捉し、レーザービームの助けを借りてそれらに力を加えることができます。



実験では、解凍と同様の方法でDNA鎖をゆっくりと分離しました。ヒストンとDNAの接触点では、「ジッパー」が最も弱い方法でスタックする場合でも、ヒストンとDNAの接触を克服するか、構造に入るには、より大きな力を加える必要があります。



このようにして、Rudnizky博士と彼の同僚は、ヒストンとDNAの間の接触が以前に知られているよりもはるかに広範囲であることを発見しました。実際、染色体は以前考えられていたよりもはるかに大きいです。さらに、リンカーヒストンの構造は、2つの異なる染色体形状があるため、驚くほど柔軟であることがわかりました。1つは対称でコンパクトで、もう1つは非対称に緩和されています。



単一分子内のこれらの形状間の変換は、転写メカニズムによって外部から制御できることは注目に値します。これは、細胞が安定型と不安定型の染色体の切り替えを使用して、制御された方法でDNAへのアクセスを調節していることを示唆しています。染色体が私たちのゲノムの正しい発現を維持する上で重要な役割を果たしていること、そして染色体がヒトゲノムの正しい発現において重要な役割を果たしていることを考えると、これらの発見は健康におけるクロマチン構造の役割の理解に重要なポイントを追加しますと病気。レベル。