盘绕的蛋白质链染色质在这张图片中显现出来，图片来自俄勒冈大学卡洛斯·布斯塔曼特的实验室。他和其它研究人员正在开创新一代“纳米显微镜”技术，这种技术不仅可以拍摄微小的有机分子结构的图片，还可以操纵它们。 |
自从安东尼·范·列文虎克用他的简陋显微镜观察并证实生命确实被包裹在非常小的容器中以来，生物学家们就一直招募物理学家来聚焦更强的透镜，训练更强大的射线，并在细胞和构成它们生命和死亡的分子上运行更微小的探针。然而，生命的许多奥秘仍然没有受到人眼的审视。重要的蛋白质会把自己折叠成什么形状？像艾滋病毒这样的病毒使用什么分子技巧来避免破坏，同时造成损害？细胞究竟是如何将DNA的某些部分翻译成蛋白质，却完全忽略其他部分的？
生物学家们已经从间接的化学证据中得出了有根据的猜测和粗略的答案。直接的图片将非常有用，但要看到生物学的细微之处——纳米级的折叠蛋白质、病毒的外壳，或者DNA螺旋在解旋并转录成RNA时的样子——需要一种能够紧密聚焦于它们天然、潮湿环境中的分子的仪器。衍射模糊了光学显微镜在微米（千分之一毫米）或更小尺度下的视野。电子显微镜只能捕捉到冷冻的、金属涂层样本的清晰图像。扫描隧道显微镜可以显示单个原子，但前提是它们能很好地导电。
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3月中旬，在密苏里州堪萨斯城举行的美国物理学会年会上，研究人员宣布在两种更新型的仪器上取得了成功。第一种叫做原子力显微镜（AFM），已经证明是分子生物学家的强大工具。该仪器使用精心设计的悬臂梁，其尖端只有纳米（百万分之一毫米）大小，以类似于唱机针的方式扫描表面。从尖端反射回来的激光记录了它的运动，并描绘出它遇到的任何表面，无论是湿的还是干的。
当然，即使是微小的针尖划过DNA分子，也可能损坏分子或扭曲其形状。因此，正如加州大学圣巴巴拉分校的尼尔·H·汤姆森报告的那样，他和他的同事们振动了针尖，以纳米级的步长轻轻敲击它，扫过视野。
多么壮观的景象啊。研究人员看到了一个非凡的景象：DNA链被RNA聚合酶的一个小球转录成遗传RNA信息，准备被翻译成蛋白质。他们制作的影片显示，酶确实像轨道上的棚车一样沿着解旋的DNA螺旋运行，正如生物学家长期以来想象的那样（但直到最近才确切知道）。这项技术应该允许实验者看到当他们将应该破坏这个过程的密码插入DNA时，到底会发生什么。更清晰的事件图像应该有助于设计药物，以关闭引起疾病的基因，并开启那些对抗疾病的基因。
俄勒冈大学的卡洛斯·布斯塔曼特将AFM用于不同的用途。他没有扫描蛋白质来观察它们的行为，而是采取了更直接的方法。他将蛋白质肌联蛋白的一端（被认为是肌肉弹性的关键角色）连接到他的悬臂梁的尖端，另一端连接到一个平板上。然后他拉。又推。又拉，一遍又一遍，同时测量蛋白质施加在悬臂梁上的力。
他的发现让他感到惊讶。他研究的肌联蛋白分子不像橡皮筋那样表现，均匀地拉伸直到不能再拉伸，然后收缩并施加与拉伸时一样大的拉力。相反，它们的表现像缠绕成结的橡皮筋，起初几乎没有阻力地膨胀，但随后以急冲和痉挛的方式拉伸。它们以相反的方式收缩：起初很急剧，然后只有一点拉力。“当我们把这种弹性曲线叠加到肌肉细胞的弹性曲线上时，它们看起来完全相同，”布斯塔曼特眉飞色舞地说。“人们早就知道肌联蛋白在肌肉张力中起作用，但现在我们得出结论，它实际上控制着肌肉张力。”如果这是真的，这一发现可能会为肌张力障碍和其他肌肉疾病提出新型药物。但这些实验仍然需要被其他人复制和验证。
与此同时，使用与俄勒冈团队非常相似的技术，海军研究实验室吉尔·李领导的一个小组测量了撕裂两条互补DNA链所需的力。它不需要太大的力量——大约500皮牛顿就可以撕裂20个碱基对。（一个类比可以说明这力量有多小：你前臂在桌子上的重量比500皮牛顿大约大胡佛大坝重量比你前臂重量还大的程度。）
然而，物理学家们正在研究一种更灵敏的设备。IBM阿尔马登研究中心的丹·鲁加尔和他的同事们在3月17日宣布，他们设计了一种方法来测量小到阿牛顿的磁力——比20个DNA碱基对的拉力小5亿倍。他们现在正在将这种新型传感器整合到磁共振力显微镜（MRFM）中，该显微镜结合了原子力显微镜和磁共振成像（目前广泛应用于医学）的策略。
尽管这种新型显微镜仅达到微米级的分辨率，但该技术正在快速发展。“最终目标是能够创建原子级薄片的三维材料图像，”洛斯阿拉莫斯国家实验室的张振勇说，他也在玩弄一台MRFM。由于这种仪器可以像医院的MRI扫描仪一样，看到材料内部，因此它有望在未来揭示蛋白质中那些似乎对决定其功能至关重要的粘性缝隙。列文虎克会感到印象深刻的。