Nobel za optyczną pęsetę – krótko i niezbyt przejrzyście

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.

Nobel 2018 z fizyki dla Arthura Ashkina

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 optycznej

Wynalazek 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].
Z wykładu: Cząstka Higgsa – Koniec pewnej historii Mezony pi, czyli cząstki stawiające atom do pionu Dlaczego Ameryka boi się atomu? Awaria w Three Mile Island