Śledzenie pojedynczych cząstek

Zasada śledzenia pojedynczych cząstek: Prostokąty przedstawiają klatki z akwizycji obrazu w chwilach t = 0, 1, 2, ... Śledzone cząstki są reprezentowane jako czerwone kółka, aw ostatniej klatce zrekonstruowane trajektorie są pokazane jako niebieskie linie

Śledzenie pojedynczych cząstek ( SPT ) to obserwacja ruchu pojedynczych cząstek w ośrodku. Szereg czasowy współrzędnych, który może być dwuwymiarowy ( x , y ) lub trójwymiarowy ( x , y , z ), nazywany jest trajektorią . Trajektoria jest zazwyczaj analizowana przy użyciu metod statystycznych w celu wydobycia informacji o podstawowej dynamice cząstki. Ta dynamika może ujawnić informacje o rodzaju obserwowanego transportu (np. termiczny lub aktywny), ośrodku, w którym porusza się cząstka, oraz o interakcjach z innymi cząstkami. W przypadku ruchu losowego analizę trajektorii można wykorzystać do pomiaru współczynnika dyfuzji .

Aplikacje

W naukach przyrodniczych śledzenie pojedynczych cząstek jest szeroko stosowane do ilościowego określania dynamiki cząsteczek/białek w żywych komórkach (bakterii, drożdży, komórek ssaków i żywych Drosophila zarodki). Był szeroko stosowany do badania dynamiki czynnika transkrypcyjnego w żywych komórkach. Ta metoda była szeroko stosowana w ostatniej dekadzie, aby zrozumieć mechanizm wyszukiwania celu w białkach w żywych komórkach. Odnosi się do podstawowych pytań biologicznych, takich jak sposób, w jaki białko będące przedmiotem zainteresowania znajduje swój cel w złożonym środowisku komórkowym? jak długo trwa znalezienie miejsca docelowego do powiązania? jaki jest czas przebywania białek wiążących się z DNA? Ostatnio SPT zastosowano do badania kinetyki translacji i przetwarzania białek in vivo. W przypadku cząsteczek, które wiążą duże struktury, takie jak rybosomy, SPT można wykorzystać do wydobycia informacji o kinetyce wiązania. Ponieważ wiązanie rybosomu zwiększa efektywny rozmiar mniejszej cząsteczki, szybkość dyfuzji zmniejsza się po związaniu. Monitorując te zmiany zachowania dyfuzyjnego, uzyskuje się bezpośrednie pomiary zdarzeń wiązania. Ponadto cząstki egzogenne są wykorzystywane jako sondy do oceny właściwości mechanicznych ośrodka, co jest techniką znaną jako pasywna mikroreologia . Technika ta została zastosowana do badania ruchu lipidów i białek w błonach, cząsteczek w jądrze i cytoplazmie, organelli i cząsteczek w nich zawartych, granulek lipidowych, pęcherzyków i cząstek wprowadzonych do cytoplazmy lub jądra. Ponadto śledzenie pojedynczych cząstek było szeroko stosowane w badaniu odtworzonych dwuwarstw lipidowych, przerywanej dyfuzji między fazami 3D i 2D (np. błona) lub 1D (np. polimer DNA) oraz syntetycznych splątanych sieci aktyny.

Metody

Najpopularniejszy rodzaj cząstek wykorzystywanych do śledzenia pojedynczych cząstek oparty jest na rozpraszaczach , takich jak kulki polistyrenowe lub nanocząsteczki złota , które można śledzić za pomocą oświetlenia jasnego pola, lub na cząsteczkach fluorescencyjnych . W przypadku znaczników fluorescencyjnych istnieje wiele różnych opcji z własnymi zaletami i wadami, w tym kropki kwantowe , białka fluorescencyjne , fluorofory organiczne i barwniki cyjaninowe.

Na podstawowym poziomie, po uzyskaniu obrazów, śledzenie pojedynczych cząstek jest procesem dwuetapowym. Najpierw wykrywane są cząstki, a następnie łączone są zlokalizowane różne cząstki w celu uzyskania indywidualnych trajektorii.

Oprócz śledzenia cząstek w 2D, istnieje kilka metod obrazowania do śledzenia cząstek 3D, w tym wieloogniskowa mikroskopia płaska , mikroskopia z funkcją rozproszenia punktu podwójnej helisy oraz wprowadzanie astygmatyzmu za pomocą soczewki cylindrycznej lub optyki adaptacyjnej.

Dyfuzja Browna

Zobacz też

Linki zewnętrzne