2光镊实验设计

　　光镊技术的实验环境一般为接近于生理环境的水溶液，可减少对样品的损伤，同时实现在生物分子具有生理活性的条件下实时监测分子动态行为的目的。此外，如何对样品进行处理是光镊实验设计中的另一个关键问题。由于生物分子，例如DNA、蛋白质等，往往在几纳米到几十纳米之间，光镊的刚度一般不能稳定地捕获和操控生物分子，因此需要借助一个表面修饰的微米量级的小球（微球）作为“手柄”，将生物样品通过化学偶联黏附在微球上，通过直接操控微球达到间接操控生物分子的目的[17]。生物大分子尤其是蛋白分子，通常尺寸较小，因此会在生物分子的一端或两端通过化学方法交联上一段或两段DNAHandle[18]，使得生物分子两侧的微球间有足够的空间距离，方便对单个生物分子进行力的测量并且减少微球间不必要的相互作用；选用的DNAHandle分子长度一般大于500bp[8]。图2是双光镊技术研究生物样品的经典单分子实验体系[19]示意图（以DNAHairpin为例），两个聚苯乙烯小球表面分别免疫修饰了Streptavidin和anti—Digoxigenin，DNAHairpin一端被标记biotin与Streptavidin修饰的微球相连，另一端则通过巯基与DNAHandle共价交联；DNAHandle则通过Digoxigenin与修饰anti—Digoxi—genin的微球相连。因此，当我们利用两束激光分别捕获两个微球时，就可以对微球间的conjugates进行操作，通过移动光阱的位置，微球间的距离和力都会发生改变，我们通过测量这些数据就可以得到相关的动力学信息。

　　3光镊技术在生命科学中的应用

　　近年来，基于光镊技术的应用研究，证实了该技术独到的应用价值。光镊的应用基本分为四类，即光镊与细胞生物学、光镊与单分子生物学、光镊与软物质胶体科学和光镊与物理学四个领域。在这些领域中，科学家们利用光镊技术解决了许多重要的科学问题。结合我们实验室的研究方向，我们将主要对光镊在单分子生物学的应用加以介绍。光镊亚纳米级的空间分辨率和飞牛顿的力分辨率使其在研究一些生物大分子（如DNA/RNA双链特性[20—22]、分子马达的分子机制和生物学功能[17，23—24]、蛋白质折叠[25—27]以及染色质重塑[28]等）的动态运动细节（中间态、能量、折叠速率、作用力、距离等）方面成为一项不可或缺的单分子技术，并展示出巨大的发展前景。以下我们将对一些代表性的研究成果进行简要介绍。

　　3。1研究DNA力学性质

　　现代生物学中一个最基本的生物学定律就是中心法则：即遗传信息可由DNA流向DNA，完成DNA的自我复制过程；也可由DNA流向RNA再进一步流向蛋白质，完成转录翻译过程。这是构成现代生物学的理论基石，因此，DNA、RNA与蛋白质的特性以及它们之间的相互作用无疑是整个生物学研究的核心。Bustamante等[29]首先利用单分子磁镊技术操纵长约16μm的dsDNA分子，测量了DNA的拉伸特性：在0。1~10pN范围内，DNA的拉伸行为符合蠕虫链模型（worm—likechain，WLC），持久长度为50nm；而当力增加到65pN时，DNA的结构由B型变成S型[30—31]；人们用同样的方法研究了ssDNA的力学性质，发现与dsDNA的拉伸曲线截然不同，ssDNA的持久长度仅有1nm。基于这些实验结论，科学家们就可以通过研究蛋白质对DNA拉伸特性的改变来研究DNA相关蛋白（如RNA聚合酶、核糖体、DNA异位酶等）的工作机制。细胞分裂时，DNA会发生凝缩形成高度聚集结构以维持遗传信息的稳定性。之前人们对DNA如何形成核小体结构已经有了一定的认识，但是对更高级的染色体结构形成缺乏了解。Case等[32]利用光镊技术将参与高级染色体结构形成的凝聚蛋白MuK—BEF作为研究对象解析了这一动态凝聚过程。Case等发现，与nakedDNA的力–延伸曲线（force—extensioncurve，FEC）相比，MuKBEF—DNA复合体表现出更大变化率的力–延伸曲线（FEC），并且当拉力达到17pN时，MuKBEF—DNA复合体会经历一个锯齿状振荡的平坦曲线，说明MuKBEF—DNA复合体经历了个别凝聚事件（MuKBEF结合到DNA上时利用“夹子”这种张合的方式来凝聚DNA）。而当力被撤回时，MuKBEF—DNA复合体重新回到原始的凝聚态，Case等根据这一现象提出了MuKBEF复合物凝缩DNA的“夹子”模型，这一研究为DNA凝缩机制的研究提供了重要的科学依据。

　　3。2研究分子马达的运动机制