大仪说 | 动态单分子荧光光镊系统：单分子操纵的神兵利“镊”
2024-03-26 14:13 发布人：医学院公共技术平台编者按
大型科研仪器是科研实现原创性突破的利器，开放共享开辟了科技创新的新赛道。为促使我校大型仪器共享与服务水平上一个新的台阶，让“器”的投入最终在“智”上显出更广更大的效应和价值，实验室与设备管理处微信公众号将陆续推出“大仪说”系列报道，旨在帮助校内外用户深入了解学校大型科研仪器设备，促进共享与合作。
大仪速写
2018年美国物理学家Arthur Ashkin凭借“光镊及其在生物系统中的应用”的贡献获得了诺贝尔物理学奖，他发现了激光对微观物体的捕捉现象，并在此基础上发明了“激光镊子”。激光镊子可以捕捉、移动小至原子，大至细菌微生物的物体。Arthur Ashkin的研究为生物学领域的研究提供了新的工具，将样品的观察从相对静止的状态提高到动态的观测高度。在此背景下，浙江大学引入动态单分子荧光光镊系统（C-Trap），创造了单分子水平下连续检测生物反应的科研环境。
如何构想与理解单分子水平？举一个典型的例子——单个 DNA 的 “微笑”。浙江大学科研团队利用动态单分子荧光光镊系统在单分子水平移动单条DNA链，观察它的结构特性。利用光镊操纵单个DNA 分子，使其处于松弛状态时，利用系统的成像模块可检测出此时的DNA分子呈现出一个近似“微笑”表情的状态，被形象地称作DNA的“微笑”。操作单个DNA可以说是对光镊技术的入门级运用。
图/单个DNA的微笑
据了解，浙江大学医学院引进的这台仪器还被称为 “四光镊系统”,因为该光镊系统拥有四个可以操控的光阱。这四个光阱能够像镊子一样被人灵活操控，对单个分子或单细胞施加一定的力。与一般的双光镊相比，四光镊系统能够进行更为复杂的实验操作，研究的手段更加多样。
与此同时，动态单分子荧光光镊系统不仅使用了光镊技术，同时集成了共聚焦系统和微流控系统于一体。C-Trap系统的共聚焦主要是单光子灵敏度的共聚焦显微镜，可拍摄488,561,647三色荧光，目的是实时观察单个分子的运动变化的过程，起到记录与呈现的作用。微流控系统有5个通道，可以实现较为复杂缓冲液体系和快速样品切换，通过光阱在不同buffer和样品之间自由切换需要观察的分子。
图/微流控系统的五个通道
为更加深入地了解动态单分子荧光光镊系统的功能与特点，我们采访了浙江大学医学院公共技术平台的尹伟老师，听听她是怎么说的。
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问：这台设备工作原理是什么？它能够实现哪些功能？
该仪器的工作原理主要采用了获得2018年物理诺贝尔奖的光镊技术，利用光的能量捕获微米甚至是纳米级小球,通过两束光捕获表面具有生物素修饰的小球，可分别与单个DNA或者蛋白分子两端结合。通过光镊模拟生物体对两个小球中间的分子施加作用力的过程，同时利用单光子灵敏度的共聚焦显微镜，观察与被操控的单个DNA分子相互作用的蛋白（复合物）的荧光变化及动力学特征。
光镊产生的聚焦光能捕捉各种微小物体，例如可以通过捕捉微球，通过微球结合目标分子。用DNA和蛋白的互作举例，通过两个微球和单个DNA 链结合，利用光镊对DNA分子进行力学操纵或测量，研究其构象特性。另一方面，相关的共聚焦显微系统可提供实时影像，在检测分子过程的同时，能够对其相互作用过程进行实时高分辨成像。配有多色激光的共聚焦显微镜系统，可以一次辨别多个荧光标记的分子，依据荧光强度和位置的变化对分子间相互作用的形成过程进行追踪和量化。
目前该技术可以应用于分子识别技术相关的DNA损伤修复、CRISPR基因编辑相关的精准医疗、重要蛋白复合物与DNA转录相关的相互作用、蛋白折叠与蛋白液滴相变、细胞骨架和马达蛋白相互作用，细胞机械力学等方面的研究。
图/设备外观图
问：请讲讲它的功能的独特性和先进性。
LUMICKS C-Trap动态单分子荧光光镊系统是浙江大学目前唯一一台光镊，是将光镊、共聚焦和微流控系统结合的单分子操控仪器。通过高度聚焦激光束产生的力来操作纳米、微米颗粒，实现了对生物分子的单分子操纵，并且结合力学检测系统和共聚焦显微镜，可以定位反应的结合位点，并实时监测生物分子的单分子动力学特性。可以揭示分子相互作用的机制，包括DNA的修复、复制和转录，DNA/RNA的结构动力学，蛋白质的折叠(去折叠) 等信息。
C-Trap动态单分子荧光光镊配置四光阱光镊，双高精度力学检测器，Nanostage高精度样品台，三色荧光共聚焦显微镜，全自动层流微流控， Bluelake 系统操控软件。是一体式集成系统，实现真正意义上同时的操控、力学测量和荧光成像的高分辨率测量分析。克服了传统物理实验室组装式仪器的各种弊端，C-Trap的先进性、易用性、稳定性和长期的耐用性方面都可以满足平台共享仪器的性能要求。
图/四光阱光镊操作界面
我们知道单个分子的测试对于系统的稳定性要求极高，C-Trap的先进性就是在于系统具有超高的力学稳定性，系统在2分钟内的漂移≤0.3 pN的同时还具备≥1000 pN的宽力学操作需求，因此大大提高了实验成功的概率。
另外，系统配置最先进的层流微流控系统、每个通道之间没有物理隔绝，生物大分子可以自由在不同微流控通道之间切换。软件系统具有多种预设程序模板数据库，还可以开启智能操作模式，对同一批样品进行自动化测试。
问：是否可以展望一下，它能为研究带来哪些新的可能？
动态单分子荧光光镊系统的配置就像在其他静态测试技术的结果上架起了一座座桥梁，通过这些桥梁可以帮助我们解释已经获取的实验结果。比如通过cryo-EM解析了大量蛋白的结构，又通过生化的方法发现了这些物质的功能之后，动态单分子荧光光镊系统便可以帮助我们观察这些蛋白复合物是如何在生物体内行使功能的，从而可以阐述这些功能分子的作用机制，为下一步新药开发提供有力的理论支持。
问：还有哪些领域（方面）的研究可以在这台仪器上完成?
动态单分子荧光光镊系统源自生物物理交叉学科，目前大部分的研究是由生物物理学家完成的。随着这项技术的不断完善，越来越多的生物学家可以像使用PCR仪一样操控、观察单个分子，另外可以进一步拓展到在癌症相关的转化医学研究方面，比如DNA分子的损伤修复研究、基因编辑等相关的研究领域。
问：这台设备开放共享情况如何？可以通过什么途径联系使用它？
浙江大学医学院公共技术平台成立于2010年，宗旨是为校内外的科研教学工作提供优质、高效和专业的技术服务。据不完全统计平台累计为800多项国家级项目提供技术支持，支撑发表论文900余篇，其中JCR一区高水平文章超300篇，包括Cell, Nature, Science等正刊论文26篇。
动态单分子荧光光镊系统于2023年6月引进安装，开放共享以来，预约机时已超1173小时，服务医学院、生命科学学院、航空航天学院、生物医学工程与仪器科学学院、高分子科学与工程学系、附属医院等校内外单位多个课题组。培训30余位师生，今后希望能开发光镊新技术和新应用，物尽其用，更好地服务广大科研用户。
如果需要使用这台仪器，可以登入浙江大学医学院公共技术平台网站或联系尹老师进行预约。
医学院公共平台网址：
https://www.cfzsm.zju.edu.cn
联系电话：尹老师，
yinwei5651@zju.edu.cn,0571-88206270。
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