使用光學顯微鏡能「看到」能量轉換！微觀能量波動出現新測量方法

能量的轉換，能夠解釋從細胞活動到火箭上天的各種過程。在一個過程中，在細分的情況下，能量從一個系統中提取出來，並在另一個系統中使用，再在過程中以相同或不同的形式轉移到別的地方。

最近，美國國家標準技術研究所 (NIST，National Institute of Standards and Technology) 和馬里蘭大學學院市分校（University of Maryland, College Park）研究人員在《自然——物理學》（Nature Physics）雜誌上發表了一種測量自由能的新方法。通過用顯微鏡跟蹤和分析單分子或其他微觀研究對象的能量波動或構型, 該方法將比已有的方法在微觀層面的研究中更具普適性。

圖 | 研究中構建的自由能「地形圖」（圖片來源：Nature Physics）

論文作者 David Ross 表示：「自蒸汽機問世以來，科學家們通過分析系統中自由能的轉換來理解複雜的系統。在編碼或設計蛋白質以及其他的單分子系統的工作中，這一理念將依然適用。在微觀層面進行測量並不簡單，我們這次開發新方法對解決這個問題具有重大意義。」

通過測量系統發生改變時內部自由能的變化, 科學家便能在不跟蹤研究每個組成個體的情況下計算出系統接下來會怎樣變化。

在以前方法中, 科學家使用微型力感測器拉動蛋白質或 DNA 分子, 就像拉伸或壓縮一個微型彈簧, 來測量系統放出能量時力和位置的變化。但這種力感測器會干擾原本的微觀系統, 不能被用以研究不直接涉及位置變化的自由能轉換。

而這次的新方法通過用光學顯微技術跟蹤微觀系統的變化，進而在不需力感測器的情況下就能對系統內的自由能進行分析。這將能幫助科學家更好地理解圍觀系統的內部工作，包括病毒或細胞等生命系統內的各種過程, 如能源攝入、化學反應和維持細胞生存的分子活動。

圖 | 位於微觀層面能量階梯上的兩個 DNA 分子。階梯會對 DNA 分子施加限制, 一般 DNA 分子大多會」下樓」以減少能量, 但有時它們也會在有能量波動的時候「上樓」。（圖源：Nature Physics）

NIST 的合著者 Elizabeth Strychalski 表示：「在分析自然系統時, 通過更好的測量自由能在微觀層面的微小波動, 我們將能更好地理解並最終操縱這些波動。」

在研究從高能狀態開始的微觀系統時，隨著系統因周圍分子連續碰撞而進入「鬆弛」（弛豫）狀態, 系統的性質也會發生顯著的波動。在論文中被稱為弛豫波動波譜法 (ReFlucS，Relaxation Fluctuation Spectroscopy) 的新方法中, 研究人員通過測量這類波動來計算自由能的變化。

圖 | 顯微圖像顯示 2 個 DNA 分子在「能量樓梯」上運動。豎直白線代表「樓梯」不同的「階」，也就是一個特定的能級。鋸齒狀的白色線代表分子的運動軌跡。字母標記了同一分子在每分鐘所處的位置。大多數位於右上的分子會「下樓」，而在左下的分子則是在上了兩「階」後又下了兩「階」。（圖源：NIST）

在 DNA 分子的例子中，分子被限制在一個類似樓梯的微觀空間。在讓其「上樓」時, 分子位於「樓上」部分的壓縮程度需比其位於「樓下」部分的高，因此位於「樓上」部分的分子將具有更高的自由能。在實際操作中，研究人員通過施加電場將 DNA 分子推到「樓頂」，隨後關閉電場, 再用光學顯微鏡觀察分子的運動。

為了保持平衡，DNA 分子一般會在電場移除後減少攜帶的自由能並「下樓」, 但由於是在微觀層面上的波動,它們偶爾也會回到更多自由能的狀態而「上樓」。通過分析 DNA 分子的運動, 研究人員便能獲得有關係統自由能的信息，比如在不同的位置有多少自由能以及哪裡的能量高哪裡的能量低。

NIST 的論文合著者，Samuel Stavis 表示：「該方法能為研究者提供此前研究自由能時無法獲得的信息。」

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