Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2018 podzielili się Gérard Mourou, Donna Strickland oraz Arthur Ashkin, których łączy nieoceniony wkład w rozwój fizyki laserów. Z tej okazji opowiem pokrótce o najciekawszym (moim zdaniem) z docenionych dokonań, czyli o “optycznej pęsecie” Ashkina.

Lasery towa­rzy­szą nam już ponad sześć­dzie­siąt lat i stały się czymś cał­ko­wi­cie powsze­dnim. Związane z nimi odkrycia aż czte­ro­krot­nie były hono­ro­wane Nagro­dami Nobla: w 1964 roku (za skon­stru­owa­nie maserów i laserów), w 1981 (za rozwój spek­tro­sko­pii lase­ro­wej), w 1997 (za pułap­ko­wa­nie atomów laserem) i wreszcie w 2018. Połowa tego­rocz­nego lauru przy­pa­dła Gerar­dowi Mourou i Donnie Stric­kland, którzy opa­no­wali technikę gene­ro­wa­nia rekor­dowo krótkich inten­syw­nych impulsów optycz­nych. Przy tej okazji, pocho­dząca z Kanady Stric­kland przeszła do historii jako trzecia – po Skło­dow­skiej i Goeppert-Mayer – wyróż­niona w ten sposób kobieta. Druga połówka nagrody trafiła do eme­ry­to­wa­nego pro­fe­sora Arthura Ashkina (na zdjęciu) – autora optycz­nej pęsety. Może brzmi nie­po­zor­nie, ale wierz mi: ów wyna­la­zek okazał się prze­ło­mem w pracy doświad­czal­ni­ków z całego globu. Przyj­rzyjmy się bliżej temu zjawisku.
Noblista Arthur Ashkin
Ścieżka pro­wa­dząca do tego­rocz­nego Nobla miała swój początek trzy dekady temu, w słynnych Labo­ra­to­riach Bella. Leżący w New Jersey ośrodek, obecnie należący do Nokii, przez nie­spełna sto lat ist­nie­nia gościł w swych murach aż czter­na­stu (obecnie już pięt­na­stu) nobli­stów. W 1986 roku Arthur Ashkin roz­po­czął tam zaawan­so­wane prace mające udo­sko­na­lić, popu­larną już wtedy ideę pułapek optycz­nych. Jak wskazuje sama nazwa, chodziło o złapanie obiektu poprzez użycie odpo­wied­nio zogni­sko­wa­nej wiązki lasera. W tym samym czasie inny pra­cow­nik Bella, Steven Chu, opra­co­wał metodę pozwa­la­jącą na schła­dza­nie i de facto ogra­ni­cza­nie ruchów poje­dyn­czych atomów. W tym celu bom­bar­do­wał wybrany atom fotonami, które oddawały swój pęd, zatrzy­mu­jąc atom w ocze­ki­wa­nej pozycji. Rzecz jasna wymagało to nie­sły­cha­nie pre­cy­zyj­nego dostro­je­nia apa­ra­tury, emi­tu­ją­cej światło o bardzo spe­cy­ficz­nej czę­sto­tli­wo­ści.

Ashkin posta­no­wił pójść o krok dalej. Pragnął za pomocą lasera łapać, a wkrótce potem również mani­pu­lo­wać obiek­tami o roz­mia­rach prze­kra­cza­ją­cych 200 nano­me­trów. Oczy­wi­ście nadal poru­szamy się w mikro­skali, jednak przej­ście od poje­dyn­czych atomów do ciał o wiel­ko­ści porów­ny­wal­nych z wirusem HIV (a później więk­szych), to naprawdę rady­kalna zmiana per­spek­tywy. Ame­ry­ka­nin w swoich doświad­cze­niach operował na spe­cjal­nych maleń­kich die­lek­trycz­nych kulkach. To cha­rak­te­ry­styczne przed­mioty deli­kat­nie lgnące w kierunku źródła pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego. Sztuczka polegała na tym, aby lawi­ru­jąc między siłami przy­cią­ga­ją­cymi kulkę i ciśnie­niem fotonów, znaleźć miejsce rów­no­wagi – stworzyć swoiste optyczne szczyp­czyki. Dało do Ash­ki­nowi moż­li­wość wię­zie­nia małych obiektów, a następ­nie manew­ro­wa­nia nimi. W ten sposób otrzymał coś w rodzaju mini-pęsety o gigan­tycz­nym poten­cjale.
Schemat działania pęsety optycznejWyna­la­zek Ashkina bardzo sprawnie zaadap­to­wali do swoich potrzeb biolodzy, choć wymagał on jeszcze paru uspraw­nień. Po pierwsze, nie każdy obiekt posiada wła­ści­wo­ści die­lek­trycz­nych kulek, dosko­nale dosto­so­wa­nych do takich zabaw. Po drugie, sięganie po laser niesie za sobą nie­bez­pie­czeń­stwo uszko­dze­nia, czy mówiąc wprost, przy­pa­le­nia deli­kat­nych żywych struktur. Te i inne bolączki wyeli­mi­no­wano w dwojaki sposób. Przede wszyst­kim zaczęto używać lasera w zakresie pod­czer­wieni o takiej długości, aby światło było możliwie nie­ab­sor­bo­walne przez materię, a jed­no­cze­śnie wywie­rało na nią nacisk. Ponadto, w pewnych przy­pad­kach wpro­wa­dzono zmyślną metodę mani­pu­lo­wa­nia pośred­niego – przez kulki die­lek­tryczne. Badane ciało przy­cze­pione zostaje do kulki lub kilku kulek, którymi można dowolnie operować za pomocą optycz­nej pęsety. Począt­kowo precyzja takich procedur nie była zbyt wielka, ponieważ spu­łap­ko­wane obiekty wpra­wiano w ruch… poru­sza­jąc sto­li­kiem lub pod­stawką z próbką. Dopiero w następ­nych latach eks­pe­ry­men­ta­to­rzy udo­sko­na­lili technikę prze­su­wa­nia zła­pa­nych obiektów poprzez kali­bro­wa­nie układu optycz­nego. 
Arthur Ashkin poda­ro­wał mikro­bio­lo­gom, bio­in­ży­nie­rom, biologom mole­ku­lar­nym i lekarzom potężne narzę­dzie badawcze. Używając jego pęsety, mogli oni manew­ro­wać pod mikro­sko­pem z nie­spo­ty­kaną dotąd precyzją, przy zacho­wa­niu mak­sy­mal­nej ste­ryl­no­ści. Nic nie stoi na prze­szko­dzie aby “chwycić” laserem roz­mna­ża­jącą się bakterię czy zmierzyć ela­stycz­ność błony komór­ko­wej. Jednak praw­dzi­wym hitem wydają się operacje prze­pro­wa­dzane na łań­cu­chach DNA i RNA. Do pokry­tych strep­ta­wi­dyną (takie białko) kulek die­lek­trycz­nych przy­kleja się zmo­dy­fi­ko­waną przez biotynę (jeszcze inne białko) helisę. Kiedy jedna z kulek zostanie unie­ru­cho­miona, nauko­wiec chwyta optyczną pęsetą za drugą, mogąc np. roz­plą­tać łańcuch.
Pęseta optyczna do rozplątywania DNA
Obecnie urzą­dze­nia oparte o dzia­ła­nie pęsety optycz­nej są już niemal powszechne, dostępne również na rynku komer­cyj­nym. Pozwa­lają na chwy­ta­nie obiektów mie­rzą­cych od kil­ku­dzie­się­ciu nano­me­trów (10−9m) do nawet 20 mikro­me­trów (10−6m). Tym samym lasery dają szansę wygod­nych badań zarówno na struk­tu­rach mniej­szych od jądra komór­ko­wego, jak i więk­szych od bakterii E.coli, czy nawet ludz­kiego lim­fo­cytu – przy mini­mal­nym ryzyku mecha­nicz­nego uszko­dze­nia lub zanie­czysz­cze­nia próbki. Już od wielu lat pęseta pomaga w dogłęb­nym poznaniu mecha­ni­zmu trans­kryp­cji DNA, czy choćby wła­ści­wo­ści fizycz­nych komórek rakowych.

Tego­roczny Nobel w dzie­dzi­nie fizyki bez wąt­pie­nia nagro­dził odkrycie prak­tyczne, o jasnym i bez­po­śred­nim zasto­so­wa­niu. Zresztą nie byłoby przesadą stwier­dze­nie, że 96-letni Arthur Ashkin mógłby równie dobrze zostać wyróż­niony w dzie­dzi­nie medycyny i fizjo­lo­gii. Zasłużył.
Literatura uzupełniająca:
M. Moyer, Laser Physicists, Including Third Woman Ever, Win Physics Nobel, [online: www.quantamagazine.org/donna-strickland-gerard-mourou-and-arthur-ashkin-win-physics-nobel-20181002];
K. Erns, Laserowe chłodzenie pułapkowanie atomów, “Wiedza i Życie” nr 2/1998;
M. Pierzchalska, Pęseta optyczna – Nowe narzędzie do badania systemów ruchowych komórek, “Postępy Biologii Komórki” tom 20, 1993, suplement nr 2;
M. Bacia, S. Drobczyński, Pęseta optyczna jako narzędzie współczesnej bioinżynierii, [online: https://docplayer.pl/52141301-Peseta-optyczna-jako-narzedzie-wspolczesnej-bioinzynierii-optical-tweezers-as-a-tool-of-modern-bioengineering.html].
  • Jan

    96 lat ale gościu musi mieć wiedzę i doświad­cze­nie z takim to był pogadał.

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

    • krysromanowskiii1980

      To fakt, ale ciekawi mnie też czy rze­czy­wi­ście w tym wieku utrzy­muje spraw­ność umysłową. Bo dożyć sędzi­wego wieku udaje się wielu osobom, ale nie zgłupieć już nie.

      Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Gesiu Galaz

    super sprawa, że go docenili, mam nadzieję, że ma się dobrze także men­tal­nie,

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0

  • Gesiu Galaz

    fajny artykuł dzięki

    Dobrze gada? Dobre 0 Słabe 0