Điều khiển độ căng của phân tử ADN trong dung môi phi tuyến bằng kìm quang học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH THÁI ĐÌNH TRUNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ CĂNG CỦA PHÂN TỬ ADN TRONG DUNG MÔI PHI TUYẾN BẰNG KÌM QUANG HỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62.44.01.09 VINH, 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH THÁI ĐÌNH TRUNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ CĂNG CỦA PHÂN TỬ ADN TRONG DUNG MÔI PHI TUYẾN BẰNG KÌM QUANG HỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62.44.01.09 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. HỒ QUANG QUÝ 2. TS. ĐOÀN HOÀI SƠN VINH, 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của bản luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của tập thể hướng dẫn PGS. TS. Hồ Quang Quý và TS. Đoàn Hoài Sơn. Các kết quả trong luận án là trung thực chưa có trong các luận án khác và tôi đã công bố trên 09 tạp chí chuyên ngành trong và ngoài nước. Tác giả luận án Thái Đình Trung ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến thầy giáo PGS.TS. Hồ Quang Quý và TS. Đoàn Hoài Sơn, người đã hướng dẫn tận tình và động viên bản thân tôi trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận án với tinh thần đầy trách nhiệm. Thầy đã giúp tôi nâng cao kiến thức, nghị lực, phát huy được sáng tạo và hoàn thành tốt luận án. Tôi xin cảm ơn sâu sắc đến qúy Thầy giáo, Cô giáo Khoa Vật lý và Công nghệ Trường Đại học Vinh đã đóng góp nhiều ý kiến khoa học bổ ích cho nội dung của luận án, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Vinh. Tôi cũng xin được cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Vinh, Trường THPT Chuyên đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho bản thân tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu trong những năm qua. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận án. Tác giả iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƢƠNG I. KÌM QUANG HỌC CHO PHÂN TỬ ADN ........................ 10 1.1. Cấu trúc của ADN ................................................................................. 10 1.2. Một số loại ADN quan tâm .................................................................... 13 1.3. Các đặc trƣng cơ học và đàn hồi của chuỗi ADN ............................... 15 1.3.1. Biến dạng kéo và nén của thanh đàn hồi. .............................................. 16 1.3.2. Biến dạng uốn của thanh đàn hồi mỏng. ............................................... 17 1. 3.3. Mô hình chuỗi liên tục (WLC) ............................................................. 19 1.4. Hiệu chỉnh biểu thức lực đàn hồi .......................................................... 22 1.4.1. Lý do cần hiệu chỉnh ............................................................................. 22 1.4.2. Hiệu chỉnh hàm lực căng. ..................................................................... 27 1.5. Kìm quang học cho phân tử ADN ........................................................ 31 1.6. Kết luận chƣơng 1 .................................................................................. 34 CHƢƠNG II. QUÁ TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA VI HẠT LIÊN KẾT VỚI PHÂN TỬ ADN TRONG KÌM QUANG HỌC ................................. 35 2.1. Quang lực. ............................................................................................... 35 2.1.1. Định nghĩa quang lực ............................................................................ 35 2.1.2. Quang lực trong chế độ Rayleigh .......................................................... 38 2.2. Phân bố quang lực của chùm laser phân bố Gaussian ...................... 43 2.2.1. Phân bố quang lực gradient ngang gây ra bởi chùm laser ........................ 43 2.2.2. Phân bố quang lực dọc gây ra bởi chùm laser. ..................................... 46 2.3. Kìm quang học một chùm tia cho phân tử ADN ................................. 48 2.3.1 . Mô hình nguyên lý ............................................................................... 48 2.3.2. Phương trình Langevin tổng quát ......................................................... 49 2.3.3. Lời giải số phương trình Langevin ....................................................... 50 iv 2.3.4. Động học của vi hạt điện môi có liên kết với phân tử ADN trong kìm quang học ........................................................................................................ 53 2.3.4.1. Đặc trưng vị trí – thời gian bẫy ............................................... 53 2.3.4.2. Ảnh hưởng của cường độ đỉnh ................................................. 55 2.3.4.3. Ảnh hưởng bán kính thắt chùm ................................................ 58 2.4. Ảnh hƣởng của các tham số lên vị trí cân bằng của hạt ..................... 61 2.5. Kết luận chƣơng 2 .................................................................................. 66 CHƢƠNG III. ĐIỀU KHIỂN ĐỘ CĂNG CỦA PHÂN TỬ ADN BẰNG KÌM QUANG HỌC KERR .......................................................................... 67 3.1. Kìm quang học Kerr cho phân tử ADN ............................................... 68 3.1.1. Mô hình ................................................................................................. 68 3.1.2. Nguyên lý hoạt động ............................................................................. 69 3.2. Quang lực tác dụng lên hạt điện môi.................................................... 70 3.2.1. Sơ đồ mô hình tính toán ........................................................................ 70 3.2.2. Tái phân bố cường độ laser ................................................................... 71 3.2.3. Phân bố quang lực ................................................................................ 76 3.3. Điều khiển vị trí cân bằng của hạt điện môi ........................................ 79 3.3.1. Mô hình cho quá trình điều khiển ........................................................ 79 3.3.2. Điều khiển hướng tâm ........................................................................... 80 3.3.3. Điều khiển dọc theo trục của chùm tia .................................................. 86 3.4. Điều khiển độ căng của phân tử ADN .................................................. 89 3.5 Kết luận chƣơng 3 .................................................................................. 90 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 92 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG ANH Viết tắt Giải thích nghĩa ADN Acid DeoxyriboNucleic ARN Acid RiboNucleic WLC Worm-Like Chain Chuỗi nối liên tục FJC Freely-Jointed Chain Chuỗi nối tự do NA Numerical aperture Khẩu độ số vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU E  Véc tơ cường độ điện trường B  Véc tơ cảm ứng từ I( ,z ) Cường độ chùm tia trong không gian k  Véc tơ sóng   Véc tơ đơn vị theo hướng xuyên tâm gravF  Lực trọng trường BrownF  Lực Brown h( t )  Hàm ngẫu nhiên grad ,zF  Lực gradient dọc tác động lên hạt điện môi theo trục chùm tia grad ,F   Lực gradient ngang tác động lên hạt điện môi theo bán kính hướng tâm Bk Hằng số Boltzman scF  Lực tán xạ d Chiều dày của môi trường chất lưu Kerr. fnln Hệ số chiết suất phi tuyến fn Chiết suất tuyến tính của môi trường chất lưu bn Chiết suất tuyến tính của hạt điện môi nlf Tiêu cụ thấu kính mỏng khi khối trụ chất lưu Kerr được coi như một thấu kính phi tuyến i nlf Tiêu cự của thấu kính mỏng phi tuyến (thứ i) crP Công suất ngưỡng M Khối lượng hạt điện môi vii zW Bán kính vết chùm tia tại khoảng cách z tính từ tâm chùm 0 1,W Bán kính thắt chùm tái tạo N * Số tia sáng trong chùm tia laser ip  Biến thiên xung lượng tia sáng sau khi khúc xạ 2 lần trên hạt grd .zp  Gradient xung lượng theo chiều dọc grd .p   Gradient xung lượng theo hướng tâm tgp  Biến thiên xung lượng tổng  Tần số góc B  Cảm ứng từ a Bán kính hạt điện môi 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài: Kìm quang học đã được Ashkin và đồng nghiệp công bố cách đây hơn ba thập kỷ trong công trình “Khảo sát quang lực gradient ngang tác dụng lên hạt điện môi trong bẫy quang học một chùm tia” [8]. Trong công bố đầu tiên này, Ashkin và cộng sự đã quan sát được áp lực bức xạ và vượt qua được các hiệu ứng nhiệt của ánh sáng nhờ sử dụng các hạt điện môi trong suốt đối với ánh sáng laser, nhúng trong chất lưu trong suốt. Ông cũng phát hiện ra rằng, một chùm laser, hội tụ mạnh có thể sử dụng để giam giữ các hạt điện môi có kích thước nhỏ và điểu khiển chúng trong không gian ba chiều. Chính ông đã đặt tên thánh cho kỹ thuật này là “kìm quang học”. Đến nay, kỹ thuật này thường được gọi là “kìm quang học” hay “bẫy quang học”. Kìm quang học hoạt động dựa vào gradient lớn của điện trường được tạo ra trong vùng gần thắt chùm của chùm tia laser hội tụ mạnh nó sẽ tạo ra lực đủ lớn để bẫy các hạt điện môi trong không gian ba chiều. Để hiểu được bản chất tác dụng của quang lực lên hạt có kích thước lớn hớn nhiều so với nguyên tử ta có thể sử dụng các định luật của cơ học Newton kết hợp với lý thuyết điện từ cổ điển. Biểu thức tính quang lực trong các trường hợp kích thước của hạt lớn hơn hay nhỏ hơn nhiều so với bước sóng ánh sáng laser đã được xem xét khảo sát trong gần đúng Mie và Rayleigh [8], [9] , [10]. Sau khi những nghiên cứu về kỹ thuật kìm quang học thành công, các chuyên gia sinh học đã nhanh chóng sử dụng kìm quang học như một công cụ cho mục đích xác định mối liên kết của đuôi vi khuẩn [11], đo lực sinh ra bởi sự vận động của các đơn phân tử chất đạm (protein) [12] và kéo căng của một đơn phân tử ADN [13]. Nghiên cứu tương tác của protein với ADN [14] cũng như quá trình đóng gói ADN tạo thành nhiễm sắc thể nó liên quan mật thiết 2 đến đặc tính cơ học của ADN như gấp, cuộn, xoắn và kéo căng [15], [16]. Kìm quang học cũng được kết hợp với một laser khác để tạo ra một kéo quang học [17] hoặc được sử dụng như một phần của các thiết bị huỳnh quang [18], đồng tiêu hay quét đo lực [19], [20]. Ngoài ra, còn có thể dùng để đo độ biến dạng của tế bào hồng cầu[21], [22]. Tất cả các nghiên cứu trên, ngoài việc giam giữ và điều khiển trực tiếp các vật liệu sinh học mà còn nghiên cứu các độ căng của các phân tử nhỏ bằng cách liên kết với hạt điện môi polystyrene. Các phân tử sinh học, cụ thể là phân tử ADN hay phân tử chất đạm, có kích thước khoảng 20nm, quá nhỏ để giam giữ và điều khiển trực tiếp, do đó cần liên kết với hạt polystyrene như một móc kéo [23]. Kìm quang đã trở thành một trong những vũ khí chính trong kho vũ khí của các nhà lý sinh, và nó đã cách mạng hóa một lĩnh vực mới của lý sinh đơn phân tử. Kỹ thuật nay cho phép thực hiện các thí nghiệm có độ phân giải cao trên các đại phân tử sinh học điều này vốn chỉ là những giấc mơ cách đây một thập kỷ [24]. Năm 1997, Wang và cộng sự đã sử dụng kìm quang học để khảo sát quan hệ giữa lực đàn hồi và độ biến dạng của đơn phân tử ADN trong các điều kiện môi trường chất lưu. Một đầu của phân tử được neo vào mặt mẫu thủy tinh nhờ vi cầu RNA polymerase. Đầu kia được gắn với một hạt điện môi, chủ yếu là hạt polystyrene. Hạt điện môi này được kéo và giam giữ bởi kìm quang học [13]. Sau đó 3 năm, Bustamante cùng cộng sự đã thực hiện lại thí nghiệm này, đồng thời so sánh với kết quả lý thuyết về quan hệ giữa lực đàn hồi và độ biến dạng. Ông đã khẳng định rằng, nhờ kìm quang học có thể khảo sát được quá trình kéo căng và gỡ xoắn của các phân tử ADN, những hiểu biết về các quá trình này sẽ giúp chúng ta nghiên cứu quá trình tái tạo, sao chép (replication) và phiên mã (transcription) của ADN [25]. Cuối năm đó, Strick 3 và cộng sự đã tổng quát hóa về quá trình xoắn và kéo căng của đơn phân tử AND khẳng định suất căng của nó vào khoảng 1000 pN và chuyển động Brown cũng có ảnh hưởng phần nào đến quá trình chuyển động của vi cầu [26]. Để khẳng định nhận định của Strick, năm 2001, Singer và cộng sự đã thực hiện khảo sát quá trình động học của vi cầu bằng cách thay đổi quang lực trong không gian ba chiều bằng hệ cơ - điện. Cơ sở của ý tưởng đó dựa trên hiện tượng dao động giảm dần. Bằng cách thay đổi quang lực, các tác giả đã xác định vận tốc của vi cầu trong không gian ba chiều và từ đó, suy ra được hệ số giảm dần trong các trường hợp khác nhau[27]. Năm 2002, Soni và cộng sự đã phát triển hệ kìm quang học liên kết với thiết bị điều khiển tế vi để khảo sát vị trí của các phân tử ADN. Hệ này được sử dụng hai nguồn laser khác nhau kết hợp với thiết bị điều khiển tế vi bằng bàn gốm áp điện ba chiều. Hai laser được sử dụng để bẫy và điều khiển hai vi cầu gắn với hai đầu của phân tử ADN. Nhờ thiết bị điều khiển tế vi, vị trí vết hai chùm tia laser được thay đổi, tức là vị trí của hai vi cầu được điều khiển trong không gian ba chiều. Vị trí của các vi hạt được quản lý với độ chính xác cỡ nanô mét [28]. Cùng năm này, Hegner và cộng sự đã thực hiện khảo sát động học của ADN bằng kìm quang học và đưa ra được quan hệ giữa lực đàn hồi và độ biến dạng của một số mẫu ADN [29]. Từ đây nhiều nghiên cứu khác đã được tiếp tục sử dụng kìm quang học để nghiên cứu về các đặc trưng của phân tử ADN như: động học [30], [31], vai trò của tính chất xoắn và căng của đơn phân tử ADN [32], xác định độ căng, giãn và xoắn của phân tử ADN dưới tác động của kìm quang học [33], ngoài ra kìm quang học còn được sử dụng can thiệp vào quá trình phiên mã và tổng hợp ADN [34]. Để vượt qua giới hạn nhiễu xạ khi nghiên cứu động học 4 của phân tử ADN trong thang đo nanô mét, trong năm 2015, Huang và cộng sự đã đề xuất và chế tạo thành công kìm quang học plasmonic [35]. Ngay đầu năm 2016, V. S. Jadhav và cộng sự đã sử dụng kìm quang học như thiết bị trợ giúp cho việc nghiên cứu các tính chất cơ học của các nhánh protein - phân tử ADN đánh dấu (protein-labelled DNA handles) [36] hoặc là định lượng được quá trình tương tác protein với ADN [37]. Các tác giả đã thành công trong việc khảo sát các đường cong đặc trưng lực - độ biến dạng của các nhánh liên kết giữa phân tử ADN và protein như: nhánh đơn, nhánh kép,.. Bằng các công cụ cơ học, nhiệt học hay quang học, các nghiên cứu trước đây đã tập trung nghiên cứu động học của hạt điện môi gắn với phân tử ADN, từ đó xác định đặc trưng lực đàn hồi - độ biến dạng của các mẫu khác nhau. Từ kết quả thực nghiệm, các hàm của lực đàn hồi bán thực nghiệm đã được đề xuất. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cũng đã được so sánh với các kết quả lý thuyết và cho thấy rằng: tùy thuộc vào trạng thái tồn tại của phân tử ADN là thẳng, vòng hay phage -  được giữ trong điều kiện nền khác nhau mà các đường cong đặc trưng lực và độ biến dạng sẽ khác nhau. Hơn nữa, dựa vào các đường cong lực theo độ biến dạng thực nghiệm và lý thuyết, các tác giả đã xác định được các thông số đặc trưng của các phân tử AND như: chiều dài bền, chiều dài cực đại và suất căng [38]. Bằng các cấu hình kìm quang học khác nhau như: sử dụng đơn kìm, cặp kìm theo nguyên lý của giao thoa Mach-Zenhder, động học của hạt điện môi gắn với phân tử ADN đã được khảo sát bằng thực nghiệm. Các tính chất xoắn, căng và giãn của phân tử ADN cũng được khảo sát nhờ kìm quang học. Từ đó, quan hệ giữa lực đàn hồi và độ biến dạng trong phân tử ADN đã được khảo sát bằng thực nghiệm. Trên cơ sở đó, hàm mô tả sự phụ thuộc của lực đàn hồi vào độ biến dạng đã được lập ra và khảo sát kiểm chứng cho 5 nhiều phân tử ADN trong các điều kiện nền khác nhau. Cũng từ đó các thông số đặc trưng của phân tử đã được tính toán. Như vậy việc kéo căng phân tử ADN có vai trò rất quan trọng trong nghiên cứu sinh học phân tử và kìm quang học trở thành công cụ không thể thiếu với các thao tác vi mô đó. Tuy nhiên, cho đến này, việc khảo sát và điều khiển về vị trí của các hạt điện môi hay độ căng của phân tử ADN ứng với trạng thái cố định của hạt chỉ có thể thực hiện được bằng phương pháp điện cơ, tức là chuyển dịch thụ động vị trí của tâm kìm quang học trong không gian bằng cách thay đổi cấu trúc cơ học của hệ quang được điều khiển bằng thiết bị điện tử hay kết hợp với thiết bị điều khiển vi mô bằng gốm áp điện. Thực tế, quá trình khảo sát động học của vi hạt là liên tục, tức là vi hạt sẽ chuyển động liên tục từ vị trí ban đầu cho đến khi vào đến tâm kìm. Đồng thời lực đàn hồi của phân tử trong các độ căng khác nhau đo được cũng là tập hợp các giá trị liên tục (không dừng lại trong quá trình bẫy). Trong trường hợp hạt đã ổn định tại tâm kìm dưới tác động của quang lực mà độ căng mong muốn chưa đạt được, thì vị trí của tâm kìm sẽ phải điều khiển bằng các cơ cấu cơ - điện (thay đổi vị trí vết hội tụ của chùm laser bằng hệ cơ - điện). Hai điểm trên chính là các nhược điểm mà các thực nghiệm còn vấp phải, cần được nghiên cứu bổ sung và cải tiến. Như vậy, việc khảo sát theo dõi vị trí của hạt điện môi trong thang đo nanô mét là hoàn toàn khó khăn vì độ chính xác khó đạt đến, đặc biệt đối với cơ cấu điều khiển cơ - điện. Vấn đề cấp thiết đặt ra là ngoài phương pháp sử dụng cơ cấu cơ - điện ra còn có phương pháp cải tiến nào để điều khiển được vị trí của hạt điện môi kích thước nanômét trong không gian cùng bậc và giữ được trạng thái căng mong muốn của phân tử ADN không. Trên cơ sở tồn tại sự cạnh tranh giữa lực quang học và lực đàn hồi [39] và sự thay đổi vị trí thắt chùm Gauss trong môi trường phi tuyến Kerr [40], [41]độ căng của phân tử 6 ADN có thể khống chế được bởi cường độ chùm laser thay vì các phương pháp quang - cơ đã nói ở trên. Đây cũng chính là những gợi ý cho ý tưởng điều khiển vị trí các hạt polystyrene gắn với phân tử ADN trong kìm quang học bằng cường độ chùm laser. Những vấn đề khoa học nghiên cứu theo ý tưởng trên và trả lời về khả năng nâng cao độ chính xác phép đo độ căng của phân từ ADN được trình bày trong luận án với tiêu đề : “Điều khiển độ căng của phân tử ADN trong dung môi phi tuyến bằng kìm quang học”. 2. Mục tiêu của đề tài: Trên cơ sở nguyên lý hoạt động của kìm quang học và tính chất đàn hồi của chuỗi phân tử ADN, bằng phương trình Langevin tổng quát, sự cạnh tranh của các lực tác dụng lên hạt điện môi gắn với phân tử ADN, động học của hạt trong quá trình bẫy, sự phụ thuộc của các đặc trưng động học vào các tham số của chùm laser, các điều kiện ổn định hạt điện môi và độ căng của phân tử ADN sẽ được khảo sát, từ đó đề xuất mô hình kìm quang học điều khiển độ căng của phân tử ADN trong không gian ba chiều. 3. Nội dung nghiên cứu: Để đạt được mục tiêu trên, luận án nghiên cứu các nội dung sau đây: i) Hiệu chỉnh biến số của biểu thức lực đàn hồi của phân tử AND dạng chuỗi con sâu (WLC- Worm Like Chain) trong phương trình Langevin tổng quát. Dùng để mô tả động lực học của hạt liên kết với phân tử ADN dưới tác động của quang lực. ii) Tìm biểu thức quang lực tác dụng lên hạt điện môi trong không gian ba chiều cho trường hợp vi hạt nhúng trong môi trường tuyến tính và môi trường phi tuyến Kerr. 7 iii) Bằng phương pháp gần đúng khảo sát quá trình động lực học của hạt trong kìm quang học. Sự phụ thuộc của động học và ổn định của hạt điện môi liên kết với phân tử ADN vào các tham số của kìm quang học. iv) Đề xuất mô hình kìm quang học và khảo sát quá trình điều khiển vị trí ổn định của hạt điện môi và độ căng của phân tử ADN trong không gian ba chiều bằng cách thay đổi công suất laser. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: i) Kìm quang học sử dụng một chùm tia và kìm quang học phi tuyến (hạt điện môi nhúng trong môi trường phi tuyến) ii) Lực đàn hồi của các phân tử ADN và độ căng của chúng. iii) Động lực học của hạt điện môi gắn với ph