雷射光鉗與分子細胞力學

雷射光鉗（laser tweezers）又稱光學鑷子、光鑷子（optical tweezers）或光學嵌住（optical trap）。在1970年代，Arthur Ashkin等人首先提出能利用光壓（optical pressure）操弄微小粒子的概念，接下來經過十幾年的發展，光鉗（optical tweezers）技術逐漸成熟。光鉗的發明使得人們在許多研究中，可以從從被動的觀察轉而成為主動的操縱，我們可以精確的移動微米級 (mm) 的粒子，並且施以無破壞性的遠距操控。很快的，這項技術就開始在許多領域中被廣泛的應用，尤其是生物及物理科學方面。在眾多的層面中，我們最有興趣的是光鉗在生物力學上的應用。基於光鉗的特性，其應用的範圍不僅可以抓取微生物或細胞，也可以透過細胞膜捉取並移動生物體內的胞器，並限制他們的移動。除了操弄粒子的位置以外，參與生物過程的作用力也可以藉由光鉗測量出來。

在建立光鑷子的過程中，我們主要朝的工作方向，是要把這項技術運用在活體的生物系統中，解決一些傳統生物技術所無法達到的精細操縱，並改良作用力量測的方法。本實驗室所架設的光鉗目前已加入生物醫學研究的行列，並已進入實應的階段，包括研究神經軸突生長之膜蛋白（membrane protein）的運動、細胞間質（extracellular matrix）分子對神經軸突（axon）生長的影響、細胞間交互作用中瞬間行為的觀察、細胞間黏著力的測量、分子與受體之間黏著力之測量，以及其他生命現象中交互作用力之研究。我們也可以利用光鉗直接測量血小板與蛇毒蛋白之間的作用力，以計算蛇毒蛋白對凝血反應的影響程度。

使用雷射光鉗技術將人類胚胎腎臟細胞（human embryonic kidney cell）HEK-293T利用光鉗嵌住並移動，使兩個細胞進行附著，待其緊密黏著，移動其中一細胞可同時拖曳另一細胞。我們發現在兩細胞相互接觸後，在極短的時間內就會開始進行黏著反應，在大約1分鐘內就有50%左右的細胞會進行附著。這樣的時間尺度，使用傳統的方法很難加以研究，使用雷射光鉗可以達到的高時間解析度，對於生物的快速反應的研究來說，無非是加上的一個利器。

光鉗也可以同時搭配各種顯微鏡技術，例如我們的新發明「細胞側視系統」，在此例中，我們嘗試用光鉗將覆有 poly-L-lysine 之塑膠微粒移向倉鼠卵巢 (Chinese hamster ovary) 細胞。運用這種整合系統，我們可以從側面觀察微粒與細胞交互作用時，極短時間內的各種變化，例如細胞吞噬 (endocytosis) 以及細胞內訊息傳遞 (intracellular signaling)。

出版論文及相關文獻：

蔡金吾「2018諾貝爾物理獎——超強脈衝雷射和雷射牽引光束！」《科學發展》2019年5月，557期，44～47頁
林奇宏、蔡金吾「雷射光鉗技術在生物作用力研究上的應用」物理雙月刊22卷5期, p500-505 (2000). [PDF下載] <中文>

Jin-Wu Tsai, Bing-Yao Liao, Chun-Cheng Huang, Wen-Liang Hwang, Da-Wei Wang, Arthur E. Chiou, and Chi-Hung Lin. Applications of optical tweezers and an integrated force measurement module for biomedical research. Proceedings of SPIE 4082, 213-221 (2000). [PDF下載] <英文>

Hsieh CF, Chang BJ, Pai CH, Chen HY, Tsai JW, Yi YH, Chiang YT, Wang DW, Chi S, Hsu L & Lin CH (2006) Stepped changes of monovalent ligand-binding force during ligand-induced clustering of integrin a_IIbb₃. J Biol Chem 281, 25466-25474. <英文>

Hsieh CF, Chang BJ, Pai CH, Chen HY, Chi S, Hsu L, Tsai JW & Chi-Hung Lin (2004) Identification of stepped changes of binding affinity during interactions between the disintegrin rhodostomin and integrin a_IIbb₃ in living cells using optical tweezers. Proc SPIE 5514, 215-224. <英文>

Jen-Chang Liu, Wen-Liang Hwang, Ming-Syan Chen, Jin-Wu Tsai, and Chi-Hung Lin. Wavelet-based Active Contour Model for Object Tracking. ICIP Proceedings 3, 206-209 (2001). [PDF下載] <英文>
蔡金吾與曹培熙：「摻鈦藍寶石雷射（Ti:sapphire laser）與光鑷子（Optical tweezers）的架設以及其在生物學上之應用」行政院國家科學委員會「大專生暑期研究計畫」報告書（NSC87-2815-C-002-033-M），民國87年4月。 [PDF下載] <中文>

加入林奇宏教授實驗室的行列...>>