ScienceDaily (Oct. 10, 2008) — DNA，去氧核糖核酸，地球上所有生命體身上都可以找到這個分子，因為它攜帶了所有生命型態的遺傳訊息，它也具備著高度抵抗紫外線破壞的能力，不過對於它為何具備光穩定性（photostability）的能力至今仍舊是個謎團。有一個關鍵也許與它們所攜帶的四個化學鹼基（chemical bases）彼此產生相互作用有關係，這四個化學鹼基便是構成 DNA 不可或缺的物質。現在，來自 Kiel 大學（Kiel University）的研究人員成功的利用這些鹼基序列對於光線的敏感度來顯示這些 DNA 股的不同。
圖1. Nina Schwalb adjusting the femtosecond laser spectroscope.
圖2. DNA 的四個鹼基（圖片來源：http://content.answers.com/main/content/wp/en-commons/thumb/4/4f/400px-DNA_chemical_structure.svg.png）
這項結果主要是由 Nina Schwalb 與其同事所報告，而且將會刊載在 2008 年 10 月 10 日出版的《科學》期刊上。
其實 DNA 內含的這些帶有遺傳訊息的 "個別鹼基" 具有高度的光穩定性在多年前就已經為人所知，它們從紫外光中所獲得的能量幾乎會立即的被釋放掉。然而令人訝異的是，對於由一大串鹼基所組成的 DNA 而言，這些機轉是無效或是僅有一部份有效的。這表示 DNA 分子被紫外線給去活化的反應機轉一定有什麼不同之處，而且必定更加的復雜，重要的是這些迷團至今尚未被瞭解。由 Kiel 大學物理化學研究所的 Friedrich Temps 教授所率領的研究團隊則希望能透過不同的測量方法針對 DNA 分子與其相異的鹼基序列來對此假說加以驗證。
圖3. 以雷射光對遺傳物質進行研究的 Friedrich Temps 教授（圖片來源：http://www.uni-kiel.de/phc/temps/people.html）
根據 Temps 教授表示：「DNA 能有如此高度的光穩定性是來自於它自己本身複雜的雙股螺旋結構。在 DNA 雙股結構中，每一個鹼基彼此堆疊在另一個鹼基之上，同時，兩者相互互補的雙股鹼基之間也會產生相互作用的氫鍵（hydrogen bonds），這在雙股螺旋中扮演了重要的角色。透過不同的交互作用，我們可以發現到 DNA 它對於陽光的照射而言可以產生某種程度上的自我保護。」
圖4. 雙股 DNA 鹼基對所產生的配對氫鍵（圖片來源：http://academic.brooklyn.cuny.edu/biology/bio4fv/page/molecular%20biology/dna-structure.html）
而研究團隊中的 Nina Schwalb 則利用合成的方法組合製造出含有多種不同鹼基的 DNA 分子。接著她利用飛秒脈衝雷射光譜（femtosecond pulsed laser spectroscope）來進行實驗，她針對每一種組合進行能量釋放的特性測量。她同時也測量這些分子持續釋放出螢光的時間，以及這些分子需要花多少時間來儲存這些光能。她發現到某些鹼基的組合其螢光的存在時間（lifetimes）大約只有 100 飛秒（femtoseconds）左右，然而其他的組合可以將時間拉長數千倍以上。所謂「飛秒」指的是 10 的負 15 次方分之一秒。
－－
為什麼要用「飛秒」雷射來研究呢？很簡單，因為所有的化學反應在分子層次上的速度實在是太快太快了！科學家們為了要「看到」這麼快速度的反應狀態，就必須要用另外一種速度更快的強光線來進行這些反應速率的偵測。而雷射是一種穩定性相當高能量的光線，因此在這個速度尺度上的研究都是用雷射光，這樣才夠亮，夠穩定，使我們看得更清楚。而且用「飛秒」的速度，才能夠看得到大於飛秒尺度之上的所有動作。這道理就像兩個近乎同時抵達終點的賽跑選手一樣，我們人類眼睛看到的也許是同時抵達，但如果用到小數點下四位（也就是 0.0001 秒）的偵測儀器時，就可以判斷出勝負了！而在這邊，則需要用到小數點以下 15 位數的儀器才看得到發生在 12 位數的事情哩！（我們人類的眼睛眨一下的速度則大約是 0.2～0.4 秒）
－－
圖5. 組裝 DNA 分子並以飛秒雷射進行操作的 Nina Schwalb（圖片來源：http://www.uni-kiel.de/phc/temps/people.html）
圖6. Friedrich Temps 教授實驗室的飛秒雷射系統（圖片來源：http://www.uni-kiel.de/phc/temps/）
圖7. 運作中的飛秒雷射系統大概就是這個樣子
Nina Schwalb 為她的研究下了一項註解，她提到：「我們針對光物理性質進行研究，我們發現不同的鹼基組合具有相當廣泛且不同的螢光存在時間。現今針對 DNA 的相關研究都是先在 DNA 分子裡面放置一個染料去做標記，然後再去進行偵測，而我們的研究則可以開發出一種新型態的偵測方法，透過雷射光針對某一段特定的基因序列進行 "直接的" 診斷與偵測。」
如果能夠將光物理性質與遺傳特性相互連結起來會有什麼發展空間嗎？嗯！事情是這樣的，如果當我們能對這個機轉有更多的瞭解時，那麼也許將來，只是也許啦，那麼基因突變的修復便可以透過雷射光來完成。
「利用合成製造出 DNA 的 “奈米電線（nano-wires）” 在奈米電子學（nano-electronics）的領域中其實早已經被提出過。它的基本原理是利用不同分子的反應時間差異，也許有朝一日它就會變成可以利用雷射脈衝來針對特定的分子達到開關的效果。甚至它也許可以在某些情況之下，透過氫鍵的運作使 DNA 成為電晶體呢！」Temps 教授這樣解釋到。
由 Nina Schwalb 所進行的這項研究是由 German Research Foundation（DFG）所贊助之 “DNA 超快速光學動力學” 計畫的一部份。
Adapted from materials provided by Christian-Albrechts-Universitaet zu Kiel.
論文出處：
Base Sequence and Higher-Order Structure Induce the Complex Excited-State Dynamics in DNA
Nina K. Schwalb and Friedrich Temps
Science 10 October 2008: 243-245. [Abstract]
原始報導：
ScienceDaily：Can Genetic Information Be Controlled By Light?