CSIPESZ ÉS SZIKE FÉNYBŐL

A fénymikroszkóp új korszakot nyitott a biológia tudományában. Azóta lehetőségünk van arra, hogy bepillantsunk egy olyan világba, amely puszta szemmel láthatatlan számunkra. Számos ismeret nem szerezhető meg csupán megfigyeléssel, bele kell nyúlnunk a mikroszkóp alatt vizsgált tárgyak mikrovilágába, és ehhez szükség van megfelelő eszközökre.

A mikroszkópia újabb eszközeivel baktériumok, sejtek vagy azok szerkezeti egységei rögzíthetők („megfoghatók” és „elengedhetők”), ha kell, nagy pontossággal mozgathatók. Máskor a vizsgált mintákon finom vágásokat ejtenek (például feldarabolják a kromoszómákat, kilyukasztják a sejtfalakat).

A fény néhány különleges és érdekes tulajdonságának köszönhető, hogy a parányi méretek világában szerszámunkká tehetjük. Bizonyos esetekben a fénysugár úgy viselkedik, mintha apró száguldó részecskékből állna. A fotonok (bár nyugalmi tömegük nulla) meglökik azt, aminek nekiütköznek. A fizikusok ezt úgy mondják, hogy impulzusuk van. Az impulzusnak iránya is van, ez megegyezik a fény terjedésének irányával. A fizika törvényei szerint, ha megváltozik az impulzus iránya vagy nagysága, erőhatás lép fel. A fény impulzusa megváltozhat úgy is, hogy a fénysugár terjedésének iránya változik (például visszaverődéskor vagy töréskor), vagy ha a fény elnyelődik. Mivel az impulzusváltozás mindig erőhatással jár együtt, a fénysugár erőt fejt ki arra a tárgyra, amely eltérítette. Például az az erő, amellyel a Nap sugárzása (az elnyelés és a visszaverődés által) a Föld felszínét nyomja, egy 50 000 tonna tömegű test súlyának felel meg. A napsütésben parkoló autóra ható erőnek megfelelő tömeg mindössze 0,2 milligramm.

Ezek az erők a testek (maga a Föld, illetve az autó) tömegéhez képest igen kicsinyek, a hétköznapi életben észre sem vesszük a hatásukat. Mikroszkopikus méretekben azonban más a helyzet, a fényrészecskék ereje számottevően befolyásolhatja a mikroméretű részecskék mozgását. Ha egy közepes teljesítményű lézer fénye az impulzusát maradéktalanul átadná egy baktériumnak (amelynek tömege a gramm egybilliomod része), akkor igen rövid ideig akkora erő hatna rá, hogy gyorsulása a földi gravitációs gyorsulás háromszázezerszerese lenne! A gyakorlatban a hatás ennél kisebb, de jól észlelhető.

Az erőkifejtés egymagában nem elegendő egy test megfogásához. Mi kell még? Nézzük a következő esetet (lásd ábránkat)! Egy lencsével fókuszált fénynyaláb útjában legyen egy átlátszó gömb (ezt tekinthetjük a sejt legegyszerűbb modelljének, legalábbis optikai szempontból). Az ábrán látható, hogy a fénynyalábból kiválasztott két sugár hogyan halad át a gömbön. Ha a fénysugarak irányváltozásából kiszámoljuk, milyen erővel hatnak együttesen a golyócskára, akkor azt kapjuk, hogy minden esetben a fókuszpont felé igyekeznek elmozdítani. Ha a golyó a fókuszpontban van, nem hat rá erő, egyensúlyba kerül. Tehát egy erősen fókuszált fénynyaláb a fókuszpont csapdájában tartja a mikroszkopikus testeket. Ez az optikai csapdázás elve.

Az elv ismeretében nekiláthatunk a lézercsipesz építésének! Mivel nagyon kicsi objektumokat szeretnénk megfogni és mozgatni, a megfigyeléshez szükségünk van egy mikroszkópra. A manipulációhoz számos jó tulajdonsága miatt legkényelmesebb lézerfényt használni. Ha biológiai mintákon szeretnénk dolgozni, akkor olyan lézert kell választanunk, amelynek fényét a biológiai anyagok kevéssé nyelik el. Az elnyelt fényenergia ugyanis annyira felmelegítheti a sejteket, a baktériumokat, hogy nem élik túl a csapdázást. Ezért olyan lézert használunk, amely közeli infravörös fényt ad. Ezt a mikroszkópba vezetjük, mégpedig a megfigyelés irányából (általában úgynevezett invertált mikroszkópot szoktak erre a célra használni, amellyel a mintát alulról figyelik meg). Ekkor maga a mikroszkóp objektívje fókuszálja a lézer fényét éppen a mintában, s már működik is a lézercsipesz! Mindez egyszerűen hangzik ugyan, mégis igen sok munkára és nagyon precíz, tehát drága eszközökre van szükség egy működő fénycsipeszhez. Optikai csipesz csak jól felszerelt laboratóriumban készíthető.
Egy másik eszköz, a lézerszike felépítése lényegében megegyezik az optikai csipeszével. Az egyetlen különbség az, hogy ehhez ultraibolya lézert használunk, amelynek fényét a biológiai anyagok nagymértékben elnyelik.
A lézer által kibocsátott nagy energiájú fényimpulzusokat a mikroszkóp a mintában fókuszálja. Az elnyelt fényenergia szétroncsolja a sejteket alkotó anyagokat, de csak a fókuszpont közvetlen környezetében. Ez lehetőséget ad arra, hogy apró lyukakat fúrjunk, vékony vágásokat ejtsünk a mintán.

A fénycsipesz és a lézerszike mintegy tíz évvel ezelőtt kezdte karrierjét a biológiai kutatásban és az orvostudományban. Arthur Ashkin 1987-ben vírusokat ejtett csapdába ezzel az eszközzel. Azóta könnyíti meg a biológusok mindennapi munkáját, számos fontos kísérletben pedig központi szerephez jutott.
A fénycsipesz és a lézerszike együttes alkalmazásának hozzánk közel álló példája a mesterséges megtermékenyítés új módja. A szikével előbb lyukat fúrnak a petesejt külső burkába, azután a megtermékenyítésre kiválasztott hímivarsejtet fénycsipesszel megfogják, és bejuttatják a petesejtbe. Ez az eljárás több olyan esetben is sikert hozott, amikor más mesterséges megtermékenyítési módszerek nem jártak eredménnyel. A klinikai gyakorlatban egyelőre nem alkalmazzák, mert arról még nincs elég adat, hogy a lézerek alkalmazása befolyásolja-e a születendő gyermek egészségét, fejlődését.

Láttuk, hogy például egy apró golyóra a fókuszpont felé mutató erő hat, a fókuszban viszont nem hat rá erő. Ennek alapján a fénycsipesz működését úgy képzelhetjük el, mintha a csapdába fogott testet egy láthatatlan rugó kötné össze a fókuszponttal. Ha a test ettől a ponttól eltávolodik, akkor ez a képzeletbeli rugó igyekszik visszahúzni, mégpedig a távolsággal növekvő erővel. Ha külső erő is hat a testre, akkor az a csapdából annyira húzza ki a testet, hogy a láthatatlan rugó megnyúlva éppen egyensúlyt tartson vele. A fókuszpontból való elmozdulás mértékéből tehát kiszámolható a külső erő.

Az izmot alkotó molekulák és a sejten belüli mozgásokat megvalósító molekulák nagyon hasonlók. Mindkét mozgástípusban kétféle molekula vesz részt: az egyik alkotja a síneket, a másik a mozdony szerepét tölti be. Izmainkban az aktinszálak a sínek a miozinmolekulák számára, a sejtek belsejében kinezin- és dineinmolekulák mozognak a mikrotubulusok* mentén. A mozdony üzemanyaga az ATP-molekula*. Kiderült, hogy a mozdonyok nem folyamatosan, hanem lépésekben haladnak. Egy lépés hossza körülbelül a milliméter százezred részével egyenlő. Milyen erővel húzzák ezek a molekuláris gépek a terhüket? A választ a fénycsipesz adta meg. A síneket – az aktinszálakat, illetve a mikrotubulusokat – a mikroszkóp tárgylemezére fektették, s a miozin-, illetve a kinezinmolekulákat kémiai kötésekkel apró műanyag gömbökhöz rögzítették. A mikroszkóppal jól látható, ahogy a gömböket a mozdony a sínek mentén mozgatja. Ha a gömböt megfogjuk a fénycsipesszel, a „mozdony” nem tudja elmozdítani. A csapdázó lézerfény erősségét változtatva változik a csapda ereje is. Azt a pontot kell megtalálni, ahol a lézercsipesz ereje éppen akkora, hogy a molekula elszakítja a gömböt a csapdától. Ebből megadható az az erő, amellyel a molekula a gömböt mozgatni tudja. Ez különböző molekulák esetén 1 és 10 pN-nak (pikonewton) adódott.

Az élőlények örökletes tulajdonságait kódoló, kettős spirál (pontosabban hélix) alakú DNS-molekulából annyiféle létezik, ahány egyed él a világon. Ezért fontos, hogy ezeket a molekulákat egyenként is tanulmányozni tudjuk. Minden sejtben többféle molekula van, amely kapcsolatba kerül a DNS-sel. Némelyikük kiolvassa és szállítja a kódolt információt, mások karbantartják a DNS-t, kijavítják a hibákat, megint mások felhasítják a kettős hélixet, így teszik lehetővé egy másik molekula számára a DNS másolását. E folyamatokban nagyon is fontos, hogy milyenek a DNS mechanikai tulajdonságai, mennyire áll ellen a nyújtásnak, a csavarásnak és a hajlításnak. A DNS-molekula amolyan rugóként viselkedik: megnyújtva erőt fejt ki. Az imént leírt módon megmérhető, hogy mekkora ez az erő. Mivel az egész molekula nem csapdázható, annak egyik végét kémiai kötéssel egy „fogantyúhoz”, apró műanyag gömbhöz, a másik végét pedig a mikroszkóp tárgylemezéhez erősítik. Miközben a fénycsipesz tartja a fogantyút, elmozdítjuk a tárgylemezt, ekkor a DNS-szál megnyúlik, és a gömböt egy kissé kihúzza a csapda középpontjából. A két távolság alapján meghatározható, hogy a molekula különböző mértékű megnyújtásához mekkora erő szükséges.

Az MTA Szegedi Biológiai Központjának Biofizikai Intézetében a DNS egy másik tulajdonságát vizsgálják. A kutatók azt próbálják kideríteni, hogy mennyire áll ellen a csavarásnak. És ebben az eddigiek mellett újabb szerep jut a lézercsipesznek: nemcsak megfogni és nyújtani segít a molekulát, hanem a csavarást is a fény végzi.

Ha különleges alakú, kicsiny tárgyakat fogunk meg lézercsipesszel, azok a csapdában forogni kezdenek. E fénypörgettyűk voltaképpen úgy működnek, mint a szélkerék, de a szél szerepét a fény tölti be. Sikerült olyan eljárást találni, amellyel az ilyen pörgettyűk sorozatban készíthetők. Bizonyos sűrű folyadékok fény hatására megszilárdulnak (ehhez hasonló anyagból készül az ultraibolya fénytől szilárduló fogtömés). Egy ilyen folyadékcseppben a megfelelő színű és fényű lézersugár a fókuszpontban megszilárdítja az anyagot. Nem kell mást tennünk, mint a fénycsipesz infravörös lézerét egy másik alkalmas lézerre cserélni. A csepp olyan tárgylemezen van, amely egy piezoelektromos mozgatóegységgel három irányban mozgatható.

A mozgást számítógép vezérli, a folyadék a fókuszpont nyomában megszilárdul a fókuszban, s tetszőleges alakú, néhány ezred milliméteres formák jönnek létre. E minipörgettyűk segítségével úgy csavarható meg a DNS-szál, hogy az egyik végét a tárgylemezhez, a másikat a pörgettyűhöz ragasztjuk. Szegeden jelenleg épp ez irányú kísérletek folynak. Ha a pörgettyűt a fénycsipesszel csapdába fogjuk, azt a lézerfény mindjárt el is forgatja, egészen addig, amíg a DNS torzióval szembeni ellenállása engedi. A lézer erősségét változtatva más-más forgatónyomaték hat a pörgettyűre, azon keresztül pedig a DNS-molekulára. Az elforgatás szöge mérhető, és megadható, hogy bizonyos forgatónyomatékhoz mekkora szögelfordulás tartozik. Ezek az adatok a DNS nyújtásának eredményeivel együtt hozzásegíthetnek a molekula természetének jobb megértéséhez.

&
Kislexikon

ATP (adenozin-trifoszfát): a sejt energetikai folyamatainak alapvető molekulája. Három foszforsav molekulája nagy energiájú pirofoszfát-kötéssel kapcsolódik. A kötések létrejöttekor energia kötődik meg, felszakadásukkor a sejt számára felhasználható energia szabadul fel.
Mikrotubulusok: a sejtplazma változó hosszúságú, fehérjékből álló mikrocsövecskéi, amelyek főképp a sejten belüli anyagszállításban jutnak szerephez.