爆冷夺得诺贝尔物理学奖的光镊技术用于操控细菌和硅藻

在本白皮书中，研究人员使用了光镊(MMI CellManipulator)来捕获和固定细菌和硅藻，提供了进一步发现杆状生物行为背后的机制及其功能的机会。

什么是光镊？

光镊是一种通过高聚焦激光束产生动力来移动微小物体的装置，其相应的技术称作光学捕捉（optical trapping）。2018年，美法加三学者（Arthur Ashkin、Gerard Mourou，Donna Strickland）由于对光镊技术的贡献，同获诺贝尔物理学奖。这种技术利用光的辐射压力，可以精确捕获并操纵活细胞、病毒颗粒、甚至更微小的双链DNA，以研究它们的物理特性和生物学特性。

由于已知光镊对圆形物体最有效，因此对于非球形的海杆菌属黏着海杆状菌（Marinobacter adhaerens）和威氏海链藻（Thalassisira weissflogii, CCMP1336）而言，摸索最佳且无毒操作至关重要且具有挑战性。在本白皮书中，研究人员使用了光镊(MMI CellManipulator, 如图1所示)来捕获和固定细菌和硅藻，提供了进一步发现杆状生物行为背后的机制及其功能的机会。研究中不仅展示了MMI CellManipulator可以捕获和转移细菌和硅藻，还显示了MMI可以完成生理条件下的力谱测量。

结果展示

1 样品

1.1 细菌：海杆菌属黏着海杆状菌(Marinobacter adhaerens) HP15(WT)，小且呈杆状，可以附着在表面，也可以在培养基中移动；

1.2 硅藻：威氏海链藻(Thalassisira weissflogii, CCMP1336)，大小从2 μm到100 μm不等且呈细长状；

1.3 对照：2 μm聚苯乙烯珠。

2 结果

2.1 捕获活动的细菌

细菌是非常活跃的生物。它们的运动是由不同的机制介导的，如细菌鞭毛。这里展示了MMI CellManipulator如何用于捕获可移动的杆状细菌。通过优化光镊产生的力，本研究完成了活跃游动细菌的捕获和固定。首先采用100×油镜对细菌进行成像，显示了有些细菌附着在表面，有些是游动的(图1A)。然后选定并捕获其中一个游动的细菌固定到位置A，细菌就被短暂地困在这个光阱中，而从光阱中释放出来则又恢复了运动能力(图1B)。在细菌自由移动之后，再次进行捕获并固定在B位置(图1B)。值得注意的是，通过观察细菌的移动路线可以看出，当细菌从光阱中释放出来时，它们的方向与表面平行，但当它们被捕获时，它们旋转并对齐平行于光镊激光传播轴(图2C)。

图1. MMI CellManipulator捕获活动的细菌。

2.2 分离附着的细菌

对于一些附着在盖玻片表面的细菌，MMI CellManipulator的光学捕获也力足以克服细菌与玻片表面之间的粘附力。如图2D所示，附着在表面A位置的细菌被捕获后，立即改变方向为平行于光镊光轴。用光镊将细菌随机转移到位置B，并从光阱中释放出来后细菌再次附着在表面上，并立即恢复与玻片表面平行排列的状态(图2D)。

图2. MMI CellManipulator操纵和分离附着的细菌。

2.3 捕获大型硅藻 

接下来，用硅藻来展示MMI CellManipulator在不损坏大型非球形生物样品的情况下捕获和移动它们的能力。如图3A所示，该硅藻尺寸约为15 μm。通过将光镊激光捕获硅藻，可使其旋转并与光轴对齐(图3B-C)。然后被捕获的硅藻保持光轴对齐的方向跟随光镊移位，被释放后又回到平行于表面的方向(图3C)。

图3. MMI CellManipulator捕获和操纵硅藻。

2.4 细菌力谱测量

MMI除了具备强大的捕获能力，其力谱模块还能够对样品进行精确的力测量。首先按照MMI CellTools软件中的校准程序，在与细菌相同的培养基中使用2 μm的聚苯乙烯珠完成力校准后，再进行游离细菌的力测量：捕获游动的细菌并以3 μm的振幅在一个轴上振荡，在运动过程中测量了施加在细菌上的力(图4)。

图4. MMI CellManipulator对细菌的运动进行精确的力测量。x轴为细菌的位置，单位为μm；y轴为施加的力，单位为pN。

结论

光镊是一种以无接触和无污染的方式操纵活细胞和亚细胞结构的新兴工具。MMI CellManipulator提供模块化设计，具有专门的光学器件，以实现最大的捕获力和稳定性。在这项研究中，证明了MMI CellManipulator光镊系统是一种易用的系统，可以产生稳定和可调节的捕获力，不仅可以充分捕获球形粒子，也可以用于操纵杆状生物，并使得杆状细胞沿着激光束轴定位，如细菌和硅藻。这项研究为进一步的杆状生物捕获实验打开了大门，特别是包括生理条件下的力谱测量。

MMI CellManipulator系统

原理

光镊将红外激光聚焦到样品平面上衍射受限的点上以捕获目标。光肼能够保持、移动、旋转、连接、分离、拉伸或以其他方式操纵目标。由于操纵期间目标会同时受到梯度力和辐射压力两种力相互作用，因此一台表现稳定的光镊仪器需要高度优化的光学元件，包括高数值孔径(NA)物镜，在物体平面上形成衍射极限点，以允许梯度力克服辐射压力(图5)。比如本次用到的MMI CellManipulator光镊系统。

图5. 光镊原理示意图。

MMI CellManipulator系统：

具有两个独立光束，一次可捕获多达20个目标。

由1070 nm红外激光器(20 W连续波)组成，该激光器通过显微镜物镜(100×油镜)聚焦。这种强大的激光器带具备捕获更大样本所需的必要功率。

一个快速的两轴振镜被用来在整个视野中灵活定位目标。

因此，MMI除了具备强大的捕获能力，其力谱模块还能够对样品进行精确的力测量。光力在1-2000 pN的范围内，目标的尺寸范围从几纳米到几微米，时间分辨率为亚毫秒。

图6. MMI CellManipulator系统

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基因有限公司

德国Molecular Machine & Industries (MMI)是专门致力于将显微操作技术与高精度激光技术相结合应用于生命科学领域的一家专业公司，1992年推出的MMI CellManipulator是最早的商用光镊系统之一，其背后的悠久历史和成功应用使其成为科学界可靠、有效的光镊工具。基因有限公司作为MMI在中国区合作伙伴，可为感兴趣的客户提供专业的产品咨询、技术答疑、售后安装、应用培训、联系试用等。