Pęseta magnetyczna

Pinceta magnetyczna (MT) to instrumenty naukowe do manipulacji i charakteryzowania biomolekuł lub polimerów . Aparaty te wywierają siły i momenty obrotowe na pojedyncze cząsteczki lub grupy cząsteczek. Może być używany do pomiaru wytrzymałości na rozciąganie lub siły generowanej przez cząsteczki.

Najczęściej pęsety magnetyczne są używane do badania właściwości mechanicznych makrocząsteczek biologicznych, takich jak DNA lub białka w eksperymentach z pojedynczymi cząsteczkami . Inne zastosowania to reologia materii miękkiej i badania procesów regulowanych siłą w żywych komórkach. Siły są zwykle rzędu piko- do nanoniutonów (pN do nN). Ze względu na swoją prostą budowę pęsety magnetyczne są popularnym biofizycznym .

W eksperymentach cząsteczka będąca przedmiotem zainteresowania jest przyłączona do mikrocząstki magnetycznej. Pęseta magnetyczna jest wyposażona w magnesy, które służą do manipulowania cząstkami magnetycznymi, których położenie jest mierzone za pomocą mikroskopii wideo.

Zasada budowy i fizyka pęsety magnetycznej

Magnetyczna pęseta składa się z magnetycznych mikrocząstek, którymi można manipulować za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego. Położenie cząstek magnetycznych jest następnie określane przez obiektyw mikroskopowy z kamerą.

Typowa konfiguracja pęsety magnetycznej; pokazana jest tylko objętość eksperymentalna.

Cząsteczki magnetyczne

Cząsteczki magnetyczne do pracy w pęsetach magnetycznych mają szeroki wachlarz właściwości i muszą być dobrane do zamierzonego zastosowania. W poniższych akapitach opisano dwa podstawowe typy cząstek magnetycznych; jednak są też inne, takie jak nanocząsteczki magnetyczne w ferrofluidach , które umożliwiają eksperymenty wewnątrz komórki.

Perełki superparamagnetyczne

superparamagnetyczne są dostępne w handlu i mają wiele różnych właściwości. Najbardziej powszechne jest stosowanie kulistych cząstek o średnicy w zakresie mikrometrów. Składają się z porowatej matrycy lateksowej, w której osadzone zostały nanocząsteczki magnetyczne. Lateks jest autofluorescencyjny i dlatego może być korzystny do obrazowania ich położenia. Cząstki o nieregularnych kształtach mają większą powierzchnię, a tym samym większe prawdopodobieństwo związania się z badanymi cząsteczkami. Powłoka mikrokulek może również zawierać ligandy zdolne do przyłączania cząsteczek będących przedmiotem zainteresowania. Na przykład otoczka może zawierać streptawidynę która silnie łączy się z biotyną , która sama może być związana z cząsteczkami będącymi przedmiotem zainteresowania.

Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego te mikrokulki ulegają namagnesowaniu. Indukowany moment magnetyczny jest proporcjonalny do słabego zewnętrznego pola magnetycznego $\ overrightarrow {B}})} }$$Displaystyle {\ overrightarrow {m}} ({$ :

${\ Displaystyle {\ overrightarrow {m}} ({\ overrightarrow {B}}) = {\ Frac {V \ chi {\ overrightarrow {B}}} {\ mu _{0}}}}$

gdzie jest przepuszczalnością $_$ . Jest również proporcjonalny do objętości $mikrosfer$ , co wynika z faktu, liczba nanocząstek magnetycznych skaluje się wraz z rozmiarem kulki. Zakłada się, że w tym pierwszym oszacowaniu podatność magnetyczna $χ {\ displaystyle \ chi}$ skalarna i można ją obliczyć ${\ Displaystyle \ chi = 3 {\ Frac {\ mu _ {r} -1} {\ mu _ {r} + 2}}} gdzie μ r {\ Displaystyle \$ mu $r}}$ jest względną przepuszczalnością . W silnym polu zewnętrznym indukowany moment magnetyczny nasyca się przy wartości zależnej od materiału. ${\ displaystyle {\ overrightarrow {m}} _ {sat}}$ . Siłę , której doświadcza mikrokulka, można wyprowadzić z potencjału $overrightarrow {F}$${\ Displaystyle U = - {\ Frac {1} {2}} {\ overrightarrow {m}} ({\ overrightarrow {B}}) \ cdot {\ overrightarrow {B}}}$ z ten moment magnetyczny w zewnętrznym polu magnetycznym:

${\ Displaystyle {\ overrightarrow {F}} = - {\ overrightarrow {\ nabla}} U = {\ rozpocząć {przypadki} {\ Frac {V \ chi} {2 \ mu _ {0}}} {\ overrightarrow { \nabla }}\left|{\overrightarrow {B}}\right|^{2}&\qquad {\text{w słabym polu magnetycznym}}\\{\frac {1}{2}}{\overrightarrow {\nabla }}\left({\overrightarrow {m}}_{sat}\cdot {\overrightarrow {B}}\right)&\qquad {\text{w silnym polu magnetycznym}}\end{przypadki} }}$

Zewnętrzne pole magnetyczne można ocenić numerycznie za pomocą analizy elementów skończonych lub po prostu mierząc pole magnetyczne za pomocą czujnika Halla . Teoretycznie możliwe byłoby obliczenie siły działającej na kulki za pomocą tych wzorów; jednak wyniki nie są zbyt miarodajne ze względu na niepewność zaangażowanych zmiennych, ale pozwalają oszacować rząd wielkości i pomagają lepiej zrozumieć system. Dokładniejsze wartości liczbowe można uzyskać, biorąc pod uwagę ruchy Browna kulek.

Z powodu anizotropii w stochastycznym rozkładzie nanocząstek w mikrokulce moment magnetyczny nie jest idealnie wyrównany z zewnętrznym polem magnetycznym, tj. tensora podatności magnetycznej nie można zredukować do wartości skalarnej. Z tego powodu kulki są również poddawane działaniu momentu obrotowego ${\ displaystyle {\ overrightarrow$ który próbuje wyrównać ${m}}}$ i $\overrightarrow {B}}}$${\ displaystyle$ :

${\ Displaystyle {\ overrightarrow {\ Gamma}} = {\ overrightarrow {m}} \ razy {\ overrightarrow {B}}}$

Momenty obrotowe generowane tą metodą są zwykle znacznie większe niż $co$ interesujących cząsteczek.

Nanoprzewody ferromagnetyczne

Zastosowanie nanodrutów ferromagnetycznych do działania pęsety magnetycznej poszerza ich eksperymentalny zakres zastosowań. Długość tych drutów jest zwykle rzędu dziesiątek nanometrów do dziesiątek mikrometrów, czyli znacznie więcej niż ich średnica. W porównaniu z kulkami superparamagnetycznymi pozwalają na przyłożenie znacznie większych sił i momentów obrotowych. Oprócz tego przedstawiają pozostały moment magnetyczny. Pozwala to na pracę w słabym polu magnetycznym. Możliwe jest wytwarzanie nanodrutów o segmentach powierzchniowych o różnych właściwościach chemicznych, co pozwala na kontrolowanie miejsca, w którym badane cząsteczki mogą wiązać się z drutem.

Magnesy

Aby móc wywierać moment obrotowy na mikrokulki, potrzebne są co najmniej dwa magnesy, ale zrealizowano wiele innych konfiguracji, sięgając od tylko jednego magnesu, który tylko przyciąga mikrokulki magnetyczne, do systemu sześciu elektromagnesów, który pozwala w pełni kontrolować trójwymiarową pozycję i obrót poprzez cyfrową pętlę sprzężenia zwrotnego . Siła pola magnetycznego zmniejsza się w przybliżeniu wykładniczo wraz z odległością od osi łączącej dwa magnesy w typowej skali mniej więcej szerokości szczeliny między magnesami. Ponieważ skala ta jest dość duża w porównaniu do odległości, kiedy mikrokulka porusza się w eksperymencie, działająca na nią siła może być traktowana jako stała. Dlatego pęsety magnetyczne są zaciskami siły biernej ze względu na charakter ich konstrukcji w przeciwieństwie do pęsety optycznej, chociaż mogą być również używane jako zaciski dodatnie w połączeniu z pętlą sprzężenia zwrotnego. Natężenie pola można zwiększyć poprzez wyostrzenie powierzchni bieguna magnesu, co jednak zmniejsza również obszar, w którym pole można uznać za stałe. Żelazny pierścień łączący zewnętrzne bieguny magnesów może pomóc w zmniejszeniu pól rozproszonych. Pęseta magnetyczna może być obsługiwana zarówno z magnesami trwałymi, jak i elektromagnesami. Obie techniki mają swoje specyficzne zalety.

Magnesy trwałe

Magnesy trwałe pęsety magnetycznej są zwykle wykonane z metali ziem rzadkich, takich jak neodym , i mogą osiągać natężenie pola przekraczające 1,3 Tesli. Siła działająca na koraliki może być kontrolowana przez przesuwanie magnesów wzdłuż osi pionowej. Przesuwanie ich w górę zmniejsza natężenie pola w pozycji koralika i odwrotnie. Momenty obrotowe na kulki magnetyczne można wywierać, obracając magnesy wokół osi pionowej, aby zmienić kierunek pola. Rozmiar magnesów jest rzędu milimetrów, podobnie jak ich rozstaw.

Elektromagnesy

Zastosowanie elektromagnesów w pęsetach magnetycznych ma tę zaletę, że siłę i kierunek pola można zmienić, po prostu regulując amplitudę i fazę prądu magnesów. Z tego powodu magnesy nie muszą być przesuwane, co pozwala na szybsze sterowanie systemem i redukuje hałas mechaniczny. W celu zwiększenia maksymalnego natężenia pola rdzeń z miękkiego materiału paramagnetycznego o wysokim nasyceniu i niskiej remanencji można dodać do solenoidu. W każdym przypadku jednak typowe natężenia pola są znacznie niższe w porównaniu z magnesami trwałymi o porównywalnej wielkości. Ponadto użycie elektromagnesów wymaga wysokich prądów, które wytwarzają ciepło, co może wymagać układu chłodzenia.

System śledzenia koralików

Przemieszczenie kulek magnetycznych odpowiada reakcji systemu na nałożone pole magnetyczne i dlatego musi być dokładnie zmierzone: W typowym ustawieniu objętość doświadczalna jest oświetlana od góry, tak aby kulki wytwarzały pierścienie dyfrakcyjne w płaszczyzna ogniskowa obiektywu, która jest umieszczona pod powierzchnią uwięzi. Wzór dyfrakcyjny jest następnie rejestrowany przez kamerę CCD . Obraz może być analizowany w czasie rzeczywistym przez komputer. Wykrywanie położenia w płaszczyźnie powierzchni uwięzi nie jest skomplikowane, ponieważ odpowiada ono środkowi pierścieni dyfrakcyjnych. Precyzja może sięgać kilku nanometrów. W przypadku położenia wzdłuż osi pionowej obraz dyfrakcyjny należy porównać z obrazami referencyjnymi, które przedstawiają obraz dyfrakcyjny rozpatrywanej kulki w szeregu znanych odległości od płaszczyzny ogniskowej. Te obrazy kalibracyjne uzyskuje się przez utrzymywanie nieruchomej kulki podczas przesuwania obiektywu, tj. płaszczyzny ogniskowej, za pomocą elementów piezoelektrycznych o znane odległości. Przy pomocy interpolacji rozdzielczość może osiągnąć precyzję do 10 nm wzdłuż tej osi. Uzyskane współrzędne mogą posłużyć jako dane wejściowe do cyfrowej pętli sprzężenia zwrotnego, która steruje natężeniem pola magnetycznego, np. w celu utrzymania koralika w określonej pozycji.

Kulki niemagnetyczne są zwykle dodawane do próbki jako odniesienie w celu zapewnienia wektora przemieszczenia tła. Mają inną średnicę niż kulki magnetyczne, dzięki czemu można je optycznie odróżnić. Jest to konieczne do wykrycia potencjalnego dryfu płynu. Na przykład, jeśli gęstość cząstek magnetycznych jest zbyt duża, mogą one pociągnąć za sobą otaczający lepki płyn. Wektor przemieszczenia kulki magnetycznej można określić, odejmując wektor jego początkowego położenia i ten wektor przemieszczenia tła od jego aktualnego położenia.

Kalibracja siły

Określenie siły wywieranej przez pole magnetyczne na kulki magnetyczne można obliczyć, biorąc pod uwagę fluktuacje termiczne kulki w płaszczyźnie poziomej: Problem jest obrotowo-symetryczny względem osi pionowej; odtąd jeden dowolnie wybrany kierunek w płaszczyźnie symetrii nazywany jest ${\ displaystyle x}$ . Analiza jest taka sama dla kierunku prostopadłego do kierunku x i może być wykorzystana do zwiększenia precyzji. Jeśli kulka opuści swoją pozycję równowagi na ${\ displaystyle x}$ o ${\ displaystyle \ delta x}$ z powodu fluktuacji termicznych zostanie poddany działaniu siły przywracającej, $która$$rośnie$ liniowo wraz pierwszego Biorąc pod uwagę tylko wartości bezwzględne zaangażowanych wektorów, jest geometrycznie jasne, że stała proporcjonalności to siła wywierana przez magnesy $}$ długość cząsteczki, która utrzymuje kulkę zakotwiczoną na powierzchni uwięzi. fa {\ $F$ :

Geometria sił działających na kulkę magnetyczną.

${\ Displaystyle F _ {\ chi} = {\ Frac {F} {l}} \ delta x}$ .

Twierdzenie o ekwipartycji $swobody$ że ​​​​średnia energia zmagazynowana w tej „sprężynie” jest stopień Ponieważ rozważany jest tutaj tylko jeden kierunek, energia potencjalna układu wynosi: ${\ Displaystyle \ langle E_ {p} \ rangle = {\ Frac {1} {2}} {\ Frac {F} {l}} \ langle \ delta x ^ {2} \ rangle = {\ frac {1} {2}}k_{B}T}$ . Z tego można wywnioskować pierwsze oszacowanie siły działającej na stopkę:

${\ Displaystyle F = {\ Frac {lk_ {B} T} {\ langle \ delta x ^ {2} \ rangle}}}$ .

Jednak dla dokładniejszej kalibracji konieczna jest analiza w przestrzeni Fouriera. Gęstość $położenia$ mocy kulki jest Poniżej wyprowadzono teoretyczne wyrażenie dla tego widma, które można następnie dopasować do krzywej eksperymentalnej w celu uzyskania siły wywieranej przez magnesy na kulkę jako parametru dopasowania. Z definicji widmo to jest kwadratem modułu transformaty Fouriera pozycji ${\ Displaystyle X (\ omega)}$ w zakresie pasma widmowego ${\ Displaystyle \ Delta f}$ :

${\ Displaystyle P (\ omega) = {\ Frac {\ lewo | X (\ omega) \ prawo | ^ {2}} {\ Delta f}}}$

${\ Displaystyle X (\ omega)}$ można uzyskać, biorąc pod uwagę równanie ruchu kulki o masie: ${\ displaystyle m}: X ( ω ) {\ Displaystyle X (\ omega)$ }

${\ Displaystyle m {\ Frac {\ częściowe ^ {2} x (t)}{\częściowe t^{2}}}=-6\pi R\eta {\frac {\częściowe x(t)}{\częściowe t}}-{\frac {F}{l}} x(t)+f(t)}$

6 $eta {\ Frac {\ częściowe x (t)} {\ częściowe t}}}$ odpowiada sile tarcia Stokesa dla sferycznej cząstki promienia w ośrodku o $lepkości$ i $}$$Displaystyle$ R przeciwstawia się sile stochastycznej ${\ Displaystyle f (t)}$ z powodu ruchów Browna. Tutaj można pominąć człon bezwładnościowy, ponieważ ${\ Displaystyle m {\ Frac {\ częściowe ^ {2} x (t)} {\ częściowe t ^ {2}}}}$ system znajduje się w reżimie bardzo niskiej liczby Reynoldsa ${\ Displaystyle \ lewo (\ operatorname {Re} <10 ^ {-5} \ prawej)}$ .

Równanie ruchu można przekształcić Fouriera, wstawiając siłę napędową i położenie w przestrzeni Fouriera:

${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} f (t) = & {\ Frac {1} {2 \ pi}} \ int F (\ omega) \ operatorname {e} ^ {i \ omega t} \ operatorname {d } t\\x(t)=&{\frac {1}{2\pi }}\int X(\omega )\mathrm {e} ^{i\omega t}\mathrm {d} t.\end {wyrównany}}}$

To prowadzi do:

${\ Displaystyle X (\ omega) = {\ Frac {F (\ omega)} {6 \ pi iR \ eta \ omega + {\ frac {F}{l}}}}}$ .

Widmową gęstość mocy siły stochastycznej można wyprowadzić za pomocą twierdzenia o ekwipartycji i faktu, że zderzenia Browna są całkowicie nieskorelowane: ${\ Displaystyle F (\ omega) }$

${\ Displaystyle {\ Frac {\ lewo | F (\ omega) \ prawo | ^ {2}} {\ Delta f}} = 4k_ {B} T \ cdot 6\pi \eta R}$

Odpowiada to twierdzeniu o rozpraszaniu fluktuacji . Za pomocą tego wyrażenia można podać teoretyczne wyrażenie widma mocy:

${\ Displaystyle P (\ omega) = {\ Frac {24 \ pi k_ {B} T \ eta R}{36\pi ^{2}R^{2}\eta ^{2}\omega ^{2}+\left({\frac {F}{l}}\right)^{2}}} }$

Jedyną niewiadomą w tym wyrażeniu, $można$ określić, dopasowując to wyrażenie do eksperymentalnego widma mocy Aby uzyskać dokładniejsze wyniki, przed wykonaniem dopasowania można odjąć efekt wynikający ze skończonego czasu integracji kamery od widma eksperymentalnego.

Inną metodą kalibracji siły jest użycie lepkiego oporu mikrokulek: dlatego mikrokulki są przeciągane przez lepki ośrodek podczas rejestrowania ich położenia. Ponieważ liczba Reynoldsa dla układu jest bardzo niska, możliwe jest zastosowanie prawa Stokesa do obliczenia siły tarcia, która jest w równowadze z siłą wywieraną przez magnesy:

${\ Displaystyle F = 6 \ pi \ eta Rv}$ .

Prędkość można określić na podstawie zarejestrowanych wartości $.$ Siłę uzyskaną za pomocą tego wzoru można następnie odnieść do danej konfiguracji magnesów, co może służyć jako kalibracja.

Typowy układ eksperymentalny

Schematyczne krzywe wydłużenia skrętnego DNA przy różnych siłach w zakresie piko Newtona.

Ta sekcja zawiera przykład eksperymentu przeprowadzonego przez Strick, Allemand, Croquette za pomocą pęsety magnetycznej. Dwuniciowa cząsteczka DNA jest przymocowana wieloma miejscami wiązania z jednej strony do szklanej powierzchni, az drugiej do magnetycznej mikrokulki, którą można manipulować za pomocą magnetycznej pęsety. Obracając magnesy, na cząsteczkę DNA można przyłożyć naprężenie skrętne. Rotacje w kierunku helisy DNA są liczone dodatnio i odwrotnie. Podczas skręcania pęseta magnetyczna umożliwia również rozciąganie cząsteczki DNA. W ten sposób krzywe wydłużenia skrętnego mogą być rejestrowane przy różnych siłach rozciągających. Przy małych siłach (poniżej około 0,5 pN) DNA tworzy superskręty, tak zwane plektonemy, które zmniejszają wydłużenie cząsteczki DNA dość symetrycznie dla skręcenia dodatniego i ujemnego. Zwiększenie siły ciągnącej już zwiększa rozciągnięcie przy zerowym skręcie. Pozytywne skręty prowadzą ponownie do tworzenia plektonemów, które zmniejszają rozszerzenie. Jednak ujemny skręt nie zmienia zbytnio wydłużenia cząsteczki DNA. Można to interpretować jako oddzielenie dwóch nici, co odpowiada denaturacja cząsteczki. W reżimie dużej siły wydłużenie jest prawie niezależne od przyłożonego naprężenia skrętnego. Interpretacją jest pojawienie się lokalnych regionów silnie owiniętego DNA. Ważnym parametrem tego eksperymentu jest również siła jonowa roztworu, która wpływa na wartości krytyczne przyłożonej siły ciągnącej, które rozdzielają trzy reżimy siły.

Historia i rozwój

Cricka na Uniwersytecie Cambridge

Stosowanie teorii magnetycznej do badań biologii to technika biofizyczna, która zaczęła pojawiać się w Niemczech na początku lat dwudziestych XX wieku. Prawdopodobnie pierwszą demonstrację opublikował Alfred Heilbronn w 1922 roku; praca dotyczyła lepkości protoplastów . W następnym roku Freundlich i Seifriz zbadali reologię jaj szkarłupni . Oba badania obejmowały wprowadzanie cząstek magnetycznych do komórek i wynikające z tego obserwacje ruchu w gradiencie pola magnetycznego .

Dr Fell w swoim laboratorium w Cambridge w latach pięćdziesiątych

W 1949 roku na Uniwersytecie Cambridge Francis Crick i Arthur Hughes zademonstrowali nowatorskie zastosowanie tej techniki, nazywając ją „metodą cząstek magnetycznych”. Pomysł, który pierwotnie wyszedł od dr Honor Fell , polegał na tym, że małe magnetyczne kulki zostały fagocytowane przez całe komórki hodowane w hodowli, można było manipulować zewnętrznym polem magnetycznym. Hodowlę tkankową pozostawiono do wzrostu w obecności materiału magnetycznego, a komórki zawierające cząstkę magnetyczną można było zobaczyć pod mikroskopem o dużej mocy. Gdy cząstka magnetyczna była przemieszczana przez komórkę przez pole magnetyczne, prowadzono pomiary właściwości fizycznych cytoplazmy zostały wykonane. Chociaż niektóre z ich metod i pomiarów były, co prawda, prymitywne, ich praca wykazała użyteczność manipulacji cząstkami pola magnetycznego i utorowała drogę do dalszego rozwoju tej techniki. Metoda fagocytozy cząstek magnetycznych była nadal stosowana przez wiele lat do badania reologii cytoplazmy i innych właściwości fizycznych całych komórek.

Innowacja z lat 90. doprowadziła do rozszerzenia użyteczności techniki w sposób zbliżony do powstającej wówczas metody pęsety optycznej . Chemiczne połączenie pojedynczej cząsteczki DNA między kulką magnetyczną a szkiełkiem umożliwiło naukowcom manipulowanie pojedynczą cząsteczką DNA za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego. Po przyłożeniu sił skrętnych do cząsteczki odchylenia od swobodnego ruchu można zmierzyć na podstawie teoretycznych krzywych siły standardowej lub analizy ruchu Browna . Dało to wgląd w strukturalne i mechaniczne właściwości DNA , takie jak elastyczność .

Pęseta magnetyczna jako technika eksperymentalna stała się wyjątkowo różnorodna w użyciu i zastosowaniu. Niedawno odkryto lub zaproponowano wprowadzenie jeszcze bardziej nowatorskich metod. Od 2002 roku badano potencjał eksperymentów obejmujących wiele cząsteczek wiążących i równoległych kulek magnetycznych, rzucając światło na mechanikę interakcji, zwłaszcza w przypadku białek wiążących DNA . W 2005 roku opublikowano technikę, która polegała na pokryciu kulki magnetycznej receptorem molekularnym i szkiełku przedmiotowego ligandem . Pozwala to na unikalne spojrzenie na siłę dysocjacji receptor-ligand. W 2007 roku Kollmannsberger i Fabry opracowali nową metodę magnetycznego manipulowania całymi komórkami. Technika polega na przyczepianiu koralików do macierzy pozakomórkowej i manipulowanie komórką z zewnątrz błony w celu zbadania elastyczności strukturalnej. Ta metoda jest nadal stosowana jako środek do badania reologii , a także komórkowych białek strukturalnych . W 2013 roku pojawiło się badanie, w którym wykorzystano pincetę magnetyczną do mechanicznego pomiaru odwijania i przewijania pojedynczego neuronalnego SNARE poprzez uwiązanie całego kompleksu między kulką magnetyczną a szkiełkiem, a następnie użycie przyłożonej siły pola magnetycznego do rozerwania kompleksu.

Zastosowania biologiczne

Reologia pęsety magnetycznej

Pinceta magnetyczna może być używana do pomiaru właściwości mechanicznych, takich jak reologia , badanie przepływu materii i elastyczności w całych komórkach. Opisana wcześniej metoda fagocytozy jest przydatna do przechwytywania kulki magnetycznej wewnątrz komórki. Pomiar ruchu kulek wewnątrz komórki w odpowiedzi na manipulację zewnętrznym polem magnetycznym dostarcza informacji na temat środowiska fizycznego wewnątrz komórki i reologii ośrodków wewnętrznych: lepkości cytoplazmy, sztywności struktury wewnętrznej i łatwości przepływu cząstek.

Całą komórką można również manipulować magnetycznie przez dołączenie kulki magnetycznej do macierzy pozakomórkowej za pomocą kulek magnetycznych pokrytych fibronektyną . Fibronektyna jest białkiem, które wiąże się z białkami błony zewnątrzkomórkowej . Ta technika pozwala na pomiary sztywności komórek i zapewnia wgląd w funkcjonowanie białek strukturalnych. Schemat pokazany po prawej stronie przedstawia konfigurację eksperymentalną opracowaną przez Bonakdara i Schillinga i in. (2015) do badania białka strukturalnego plektyny w komórkach myszy. Sztywność mierzono jako proporcjonalną do położenia stopki w odpowiedzi na zewnętrzną manipulację magnetyczną.

Eksperymenty na pojedynczych cząsteczkach

Pęseta magnetyczna jako metoda jednocząsteczkowa to zdecydowanie najpowszechniejsze zastosowanie ostatnich lat. Dzięki metodzie pojedynczej cząsteczki pęseta molekularna umożliwia dokładne przyjrzenie się fizycznym i mechanicznym właściwościom makrocząsteczek biologicznych . Podobnie jak inne metody jednocząsteczkowe, takie jak pęseta optyczna , ta metoda zapewnia sposób izolowania i manipulowania pojedynczą cząsteczką wolną od wpływów otaczających cząsteczek. W tym przypadku kulka magnetyczna jest przymocowana do powierzchni wiążącej przez interesującą cząsteczkę. DNA lub RNA mogą być uwiązane w postaci jednoniciowej lub dwuniciowej, lub całe motywy strukturalne mogą być uwiązane, takie jak Połączenia DNA Hollidaya , spinki do włosów DNA lub całe nukleosomy i chromatyna . Oddziałując na kulkę magnetyczną za pomocą pola magnetycznego, można zastosować różne rodzaje siły skrętnej do badania interakcji wewnątrz DNA, a także interakcji z topoizomerazami lub histonami w chromosomach .

Badania jedno-kompleksowe

Pęsety magnetyczne wykraczają poza możliwości innych metod jednocząsteczkowych, jednak w tym zakresie można również zaobserwować interakcje między kompleksami i w ich obrębie. Umożliwiło to niedawne postępy w lepszym zrozumieniu białek wiążących DNA , interakcje receptor-ligand i cięcie enzymami restrykcyjnymi. Nowsze zastosowanie pęsety magnetycznej obserwuje się w badaniach pojedynczych kompleksów. Z pomocą DNA jako czynnika wiążącego, cały kompleks molekularny może zostać przyłączony między kulką a powierzchnią wiążącą. Dokładnie w taki sam sposób, jak w przypadku rozrywania szpilki DNA poprzez przyłożenie siły do ​​kulki magnetycznej, cały kompleks można rozdzielić i zmierzyć siłę potrzebną do dysocjacji. Jest to również podobne do metody rozdzielania interakcji receptor-ligand za pomocą magnetycznej pincety w celu pomiaru siły dysocjacji.

Porównanie z innymi technikami

W tej sekcji porównano cechy pęsety magnetycznej z najważniejszymi innymi metodami eksperymentalnymi na pojedynczych cząsteczkach: pęsetą optyczną i mikroskopią sił atomowych . Oddziaływanie magnetyczne jest wysoce specyficzne dla zastosowanych mikrokulek superparamagnetycznych. Pole magnetyczne praktycznie nie oddziałuje na próbkę. Pęseta optyczna ma problem z tym, że wiązka laserowa może również oddziaływać z innymi cząstkami próbki biologicznej z powodu kontrastów we współczynniku załamania światła . Ponadto laser może powodować fotouszkodzenia i nagrzewanie się próbki. W przypadku mikroskopii sił atomowych trudne może być także odróżnienie oddziaływania końcówki z badaną cząsteczką od innych oddziaływań niespecyficznych.

Dzięki małej sztywności pułapki zakres sił dostępnych pęsetą magnetyczną jest mniejszy w porównaniu z dwiema pozostałymi technikami. Możliwość wywierania momentu obrotowego za pomocą pęsety magnetycznej nie jest wyjątkowa: pęseta optyczna może również oferować tę funkcję, gdy działa z dwójłomnymi mikrokulkami w połączeniu z kołowo spolaryzowaną wiązką laserową.

Kolejną zaletą pęsety magnetycznej jest łatwość wykonywania równolegle wielu pomiarów pojedynczych cząsteczek.

Istotną wadą pęsety magnetycznej jest niska rozdzielczość czasowa i przestrzenna wynikająca z akwizycji danych za pomocą wideomikroskopii. Jednak po dodaniu szybkiej kamery wykazano, że rozdzielczość czasowa i przestrzenna osiąga poziom angstremów.

Dalsza lektura

•   De Vlaminck, I.; Dekker, C. (2012). „Najnowsze postępy w pęsetach magnetycznych”. Roczny przegląd biofizyki . 41 : 453–472. doi : 10.1146/annurev-biophys-122311-100544 . PMID 22443989 .