盤繞的蛋白質鏈染色質在這張圖片中顯現出來，圖片來自俄勒岡大學卡洛斯·布斯塔曼特的實驗室。他和其它研究人員正在開創新一代“奈米顯微鏡”技術，這種技術不僅可以拍攝微小的有機分子結構的圖片，還可以操縱它們。 |
自從安東尼·範·列文虎克用他的簡陋顯微鏡觀察並證實生命確實被包裹在非常小的容器中以來，生物學家們就一直招募物理學家來聚焦更強的透鏡，訓練更強大的射線，並在細胞和構成它們生命和死亡的分子上執行更微小的探針。然而，生命的許多奧秘仍然沒有受到人眼的審視。重要的蛋白質會把自己摺疊成什麼形狀？像艾滋病毒這樣的病毒使用什麼分子技巧來避免破壞，同時造成損害？細胞究竟是如何將DNA的某些部分翻譯成蛋白質，卻完全忽略其他部分的？
生物學家們已經從間接的化學證據中得出了有根據的猜測和粗略的答案。直接的圖片將非常有用，但要看到生物學的細微之處——奈米級的摺疊蛋白質、病毒的外殼，或者DNA螺旋在解旋並轉錄成RNA時的樣子——需要一種能夠緊密聚焦於它們天然、潮溼環境中的分子的儀器。衍射模糊了光學顯微鏡在微米（千分之一毫米）或更小尺度下的視野。電子顯微鏡只能捕捉到冷凍的、金屬塗層樣本的清晰影像。掃描隧道顯微鏡可以顯示單個原子，但前提是它們能很好地導電。
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3月中旬，在密蘇里州堪薩斯城舉行的美國物理學會年會上，研究人員宣佈在兩種更新型的儀器上取得了成功。第一種叫做原子力顯微鏡（AFM），已經證明是分子生物學家的強大工具。該儀器使用精心設計的懸臂樑，其尖端只有奈米（百萬分之一毫米）大小，以類似於唱機針的方式掃描表面。從尖端反射回來的雷射記錄了它的運動，並描繪出它遇到的任何表面，無論是溼的還是乾的。
當然，即使是微小的針尖劃過DNA分子，也可能損壞分子或扭曲其形狀。因此，正如加州大學聖巴巴拉分校的尼爾·H·湯姆森報告的那樣，他和他的同事們振動了針尖，以奈米級的步長輕輕敲擊它，掃過視野。
多麼壯觀的景象啊。研究人員看到了一個非凡的景象：DNA鏈被RNA聚合酶的一個小球轉錄成遺傳RNA資訊，準備被翻譯成蛋白質。他們製作的影片顯示，酶確實像軌道上的棚車一樣沿著解旋的DNA螺旋執行，正如生物學家長期以來想象的那樣（但直到最近才確切知道）。這項技術應該允許實驗者看到當他們將應該破壞這個過程的密碼插入DNA時，到底會發生什麼。更清晰的事件影像應該有助於設計藥物，以關閉引起疾病的基因，並開啟那些對抗疾病的基因。
俄勒岡大學的卡洛斯·布斯塔曼特將AFM用於不同的用途。他沒有掃描蛋白質來觀察它們的行為，而是採取了更直接的方法。他將蛋白質肌聯蛋白的一端（被認為是肌肉彈性的關鍵角色）連線到他的懸臂樑的尖端，另一端連線到一個平板上。然後他拉。又推。又拉，一遍又一遍，同時測量蛋白質施加在懸臂樑上的力。
他的發現讓他感到驚訝。他研究的肌聯蛋白分子不像橡皮筋那樣表現，均勻地拉伸直到不能再拉伸，然後收縮並施加與拉伸時一樣大的拉力。相反，它們的表現像纏繞成結的橡皮筋，起初幾乎沒有阻力地膨脹，但隨後以急衝和痙攣的方式拉伸。它們以相反的方式收縮：起初很急劇，然後只有一點拉力。“當我們把這種彈性曲線疊加到肌肉細胞的彈性曲線上時，它們看起來完全相同，”布斯塔曼特眉飛色舞地說。“人們早就知道肌聯蛋白在肌肉張力中起作用，但現在我們得出結論，它實際上控制著肌肉張力。”如果這是真的，這一發現可能會為肌張力障礙和其他肌肉疾病提出新型藥物。但這些實驗仍然需要被其他人複製和驗證。
與此同時，使用與俄勒岡團隊非常相似的技術，海軍研究實驗室吉爾·李領導的一個小組測量了撕裂兩條互補DNA鏈所需的力。它不需要太大的力量——大約500皮牛頓就可以撕裂20個鹼基對。（一個類比可以說明這力量有多小：你前臂在桌子上的重量比500皮牛頓大約大胡佛大壩重量比你前臂重量還大的程度。）
然而，物理學家們正在研究一種更靈敏的裝置。IBM阿爾馬登研究中心的丹·魯加爾和他的同事們在3月17日宣佈，他們設計了一種方法來測量小到阿牛頓的磁力——比20個DNA鹼基對的拉力小5億倍。他們現在正在將這種新型感測器整合到磁共振力顯微鏡（MRFM）中，該顯微鏡結合了原子力顯微鏡和磁共振成像（目前廣泛應用於醫學）的策略。
儘管這種新型顯微鏡僅達到微米級的解析度，但該技術正在快速發展。“最終目標是能夠建立原子級薄片的三維材料影像，”洛斯阿拉莫斯國家實驗室的張振勇說，他也在玩弄一臺MRFM。由於這種儀器可以像醫院的MRI掃描器一樣，看到材料內部，因此它有望在未來揭示蛋白質中那些似乎對決定其功能至關重要的粘性縫隙。列文虎克會感到印象深刻的。