Kedipan Molekul

Ketika para ilmuwan mengamati sesuatu, biasanya mereka mengamati begitu banyak molekul dan mengambil kesimpulan mengenai sebuah molekul "tertentu" yang didasarkan pada hasil-hasil yang didapat. Cara pendekatan ini mengandung proses pengambilan nilai rata-rata(average). Ini dapat digambarkan oleh eksperimen semu di bawah ini. Bayangkan sebuah kaleng yang berisi bermiliun - miliun dadu. Setiap dadu ini, setelah dilempar keluar dari kaleng, dapat mengirim sinyalnya sendiri ke sebuah detector, yang dapat menerima sinyal - sinyal tersebut dari semua dadu yang terlempar secara bersamaan dan mengambil nilai rata-rata dari padanya. Bayangkan sekarang, kalau semua dadu dilempar secara bersamaan. Apabila hasilnya adalah kemungkinan yang paling besar, di mana 1/6 dari dadu-dadu itu menunjukkan angka 1, 1/6 dari lagi menunjukkan angka 2, dst, alat pendetektor akan melaporkan jumlah semua sinyal yang kemudian akan dibagi dengan jumlah seluruh dadu, dan menghasilkan nilai 3.5. Si pengamat kemudian akan mengambil kesimpulan bahwa bila ia melempar dadu "tertentu", hasilnya ialah 3.5. Masalahnya sekarang ialah, dadu "tertentu" itu tidak pernah ada. Terlebih lagi, apabila kita harus menggambarkan hasil pelemparan dadu hanya berdasarkan pada nilai rata-rata, kita tidak akan pernah bisa bermain monopoli. Pelemparan "tertentu" untuk sebuah dadu "tertentu" lebih menarik dan jauh lebih berguna.

Para ilmuwan menyadari bahwa proses pengambilan rata-rata pada pengamatan ilmiah menyelubungi kelakuan yang mendetil dari sebuah molekul, dan oleh karena itu para ilmuwan telah lama tertarik untuk mengamati molekul satu-persatu. (Sebuah molekul setara dengan 1/bilangan Avogadro atau 1.66 x 1024 mol atau 1.66 ymo(yoctomol). (Seorang kimiawan baru-baru ini berguyon dan mengusulkan bahwa satuan untuk sebuah molekul seharusnya diberi nama guacamole; makanan khas amerika latin yang terdiri dari alpukat yang dihaluskan dicampur dengan cabe, tomat, dsb---red) Mengamati sebuah molekul adalah hal yang sulit, satu penyebabnya ialah karena sebuah molekul harus diisolasikan sedemikian rupa sehingga memungkinkan pengamatan. Alasan lain ialah sinyal yang diterima dari molekul tersebut haruslah cukup kuat dan alat pendeteksinya juga harus cukup sensitive untuk menghasilkan sebuah sinyal yang dapat diamati.

Para kimiawan telah berhasil mengisolasikan dan menghentikan gerak sebuah molekul dan atom dengan cara menggunakan mereka sebagai zat pewarna untuk kristal, gel atau lapisan - lapisan tipis (films). Salah satu teknik yang paling sering digunakan ialah fluorescence, proses di mana sebuah molekul, setelah menyerap cahaya, menggunakan energi yang diterima dengan mengeluarkan cahaya lagi dengan gelombang yang lebih panjang. Karena fluorescence terjadi pada lingkungan di mana tidak ada cahaya lain yang mempunyai panjang gelombang yang sama yang dapat menghasilkan sinyal juga, fluorescence adalah metode yang sangat sensitif.

Kelakuan sebuah molekul dapat diilustrasikan melalui hasil penelitian oleh sebuah grup ahli fisika kimia di University of California, San Diego yang dipimpin oleh W.E. Moerner, yang memerangkap sebuah protein ubur-ubur yang disebut green fluorescence protein (GFP) di dalam gel polyacylamide. Iradiasi dari sample ini menghasilkan banyak molekul yang menghasilkan fluorescence yang kontinyu. Namun, ketika target molekul individu ini disebar, pada sebuah sample yang kecil dan dideteksi olah teknik yang sangat sensitive (mis: fluorescence), jumlah molekul yang diamati pada jangka waktu tertentu cukup kecil untuk memungkinkan sinyal dari setiap molekul. Grup ahli fisika kimia masih meneliti sebuah grup molekul, tetapi grup molekul ini cukup kecil sehingga memungkinkan kami untuk membedakan kontribusi sinyal dari tiap molekul. Pada saat sistem molekular sel diamati sepanjang iradiasi yang terus-menerus, sinyal tersebut berkedip-kedip secara tidak teratur. Kelakuan molekul yang berkedip-kedip ini terlihat pada fluorescence dari GFP yang tersebar di dalam gel. Struktur GFP dapat dilihat di samping ini.

Kelakuan ini mungkin adalah hasil fluktuasi dalam struktur protein , lingkungannya, atau kedua - duanya. Analisa dari prinsip ini dapat memberikan penjelasan mengenai proses yang terjadi di belakangnya.