能量的轉(zhuǎn)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(tǒng)中提取出來，并在另一個系統(tǒng)中使用，再在過程中以相同或不同的形式轉(zhuǎn)移到別的地方。

最近，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所 (NIST，National Institute of Standards and Technology) 和馬里蘭大學(xué)學(xué)院市分校（University of Maryland, College Park）研究人員在《自然——物理學(xué)》（Nature Physics）雜志上發(fā)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(gòu)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(gòu)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(xué)家們通過分析系統(tǒng)中自由能的轉(zhuǎn)換來理解復(fù)雜的系統(tǒng)。在編碼或設(shè)計蛋白質(zhì)以及其他的單分子系統(tǒng)的工作中，這一理念將依然適用。在微觀層面進行測量并不簡單，我們這次開發(fā)新方法對解決這個問題具有重大意義?！?/p>

通過測量系統(tǒng)發(fā)生改變時內(nèi)部自由能的變化, 科學(xué)家便能在不跟蹤研究每個組成個體的情況下計算出系統(tǒng)接下來會怎樣變化。

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

而這次的新方法通過用光學(xué)顯微技術(shù)跟蹤微觀系統(tǒng)的變化，進而在不需力傳感器的情況下就能對系統(tǒng)內(nèi)的自由能進行分析。這將能幫助科學(xué)家更好地理解圍觀系統(tǒng)的內(nèi)部工作，包括病毒或細胞等生命系統(tǒng)內(nèi)的各種過程, 如能源攝入、化學(xué)反應(yīng)和維持細胞生存的分子活動。

圖 | 位于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(tǒng)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并最終操縱這些波動?！?/p>

在研究從高能狀態(tài)開始的微觀系統(tǒng)時，隨著系統(tǒng)因周圍分子連續(xù)碰撞而進入“松弛”（弛豫）狀態(tài), 系統(tǒng)的性質(zhì)也會發(fā)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(biāo)記了同一分子在每分鐘所處的位置。大多數(shù)位于右上的分子會“下樓”，而在左下的分子則是在上了兩“階”后又下了兩“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, 分子位于“樓上”部分的壓縮程度需比其位于“樓下”部分的高，因此位于“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”，隨后關(guān)閉電場, 再用光學(xué)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后減少攜帶的自由能并“下樓”, 但由于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(tài)而“上樓”。通過分析 DNA 分子的運動, 研究人員便能獲得有關(guān)系統(tǒng)自由能的信息，比如在不同的位置有多少自由能以及哪里的能量高哪里的能量低。

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。”