Силовая спектроскопия - Force spectroscopy

Силовая спектроскопия представляет собой набор методов для изучения взаимодействий и сил связывания между отдельными молекулами.[1][2] Эти методы можно использовать для измерения механических свойств отдельных полимер молекулы или белки, или индивидуальный химические связи. Название "сила" спектроскопия ", хотя и широко используется в научном сообществе, несколько вводит в заблуждение, потому что не существует взаимодействие вещества с излучением.[3]

Методы, которые можно использовать для выполнения силовой спектроскопии, включают: атомно-силовая микроскопия,[2] оптический пинцет,[4] магнитный пинцет, акустическая силовая спектроскопия,[5] микроиглы,[6] и биомембраны.[7]

Силовая спектроскопия измеряет поведение молекулы при механическом растяжении или кручении. сила. Таким образом, в последние годы многое было изучено о механохимическом взаимодействии ферментов, ответственных за мышца сокращение, транспорт в ячейка, выработка энергии (F1-АТФаза), ДНК репликация и транскрипция (полимеразы), развязывание и раскручивание ДНК (топоизомеразы и геликазы).[нужна цитата ]

Как одиночная молекула техника, в отличие от типичной ансамбль спектроскопии, это позволяет исследователю определить свойства конкретной исследуемой молекулы. В частности, могут наблюдаться редкие события, такие как конформационные изменения, которые замаскированы в ансамбле.

Экспериментальные техники

Есть много способов точно управлять отдельными молекулами. Среди них выделяются оптический или магнитный пинцет, кантилеверы для атомно-силового микроскопа (АСМ) и акустическая силовая спектроскопия. Во всех этих методах биомолекула, такая как белок или ДНК, или какой-либо другой биополимер, имеет один конец, связанный с поверхностью, а другой - с датчиком силы. Датчик силы обычно представляет собой валик или кантилевер микрометрового размера, смещение которого можно измерить для определения силы.

Консоли для атомно-силового микроскопа

Молекулы адсорбированный на поверхность захватываются микроскопическим наконечником (нанометров шириной), который находится на конце эластичного кантилевера. В более сложной версии этого эксперимента (химическая силовая микроскопия) наконечники ковалентно функционализированы с интересующими молекулами.[8] А пьезоэлектрический затем контроллер поднимает консоль. Если на эластичный кантилевер действует некоторая сила (например, из-за того, что какая-то молекула растягивается между поверхностью и наконечником), это будет отклоняться вверх (сила отталкивания) или вниз (сила притяжения). Согласно с Закон Гука, это отклонение будет пропорционально силе, действующей на кантилевер. Прогиб измеряется положением лазер луч, отраженный кантилевером. Такой тип установки может измерять усилия от 10 пН (10−11 N ) предел основного разрешения задается тепловым коэффициентом кантилевера. шум.

Так называемая силовая кривая - это график силы (или, точнее, отклонения кантилевера) от положения пьезоэлектрического элемента по оси Z. Идеальный гукан весна Например, будет отображаться прямая диагональная силовая кривая. Обычно силовые кривые, наблюдаемые в экспериментах по силовой спектроскопии, состоят из контактной (диагональной) области, где зонд контактирует с поверхностью образца, и бесконтактной области, где зонд выключен поверхность образца. Когда восстанавливающая сила кантилевера превышает силу адгезии зонд-образец, зонд выскакивает из контакта, и величина этого скачка часто используется как мера силы адгезии или силы разрыва. В общем, разрыв связи зонд-поверхность - это случайный процесс; поэтому для надежного количественного определения силы адгезии требуется построение нескольких индивидуальных кривых силы. Гистограмма сил адгезии, полученная в результате этих множественных измерений, обеспечивает основные выходные данные для измерения силовой спектроскопии.

В биофизике силовая спектроскопия одиночных молекул может использоваться для изучения энергетического ландшафта, лежащего в основе взаимодействия двух биомолекул, таких как белки. Здесь один связывающий партнер может быть прикреплен к наконечнику кантилевера через гибкую линкерную молекулу (цепь ПЭГ), а другой иммобилизован на поверхности субстрата. В типичном подходе кантилевер многократно приближается и отводится от образца с постоянной скоростью. В некоторых случаях будет происходить связывание между двумя партнерами, которое станет видимым на кривой силы, поскольку использование гибкого линкера приводит к характерной форме кривой (см. Червеобразная цепь модель) в отличие от адгезии. Собранные силы разрыва можно затем проанализировать как функцию скорости нагружения связки. Полученный график средней силы разрыва как функции скорости нагружения называется спектр сил и формирует базовый набор данных для спектроскопия динамических сил.[9][10]

В идеальном случае единственного резкого энергетического барьера для взаимодействий зонд-образец динамический спектр силы покажет линейное увеличение силы разрыва как функцию логарифма скорости нагружения, как описано в модели, предложенной Bell et al.[11] Здесь наклон спектра разрывной силы равен , где - расстояние от минимума энергии до переходного состояния. На сегодняшний день существует ряд теоретических моделей, описывающих взаимосвязь между скоростью нагружения и разрывной силой, основанных на различных предположениях и предсказывающих различные формы кривых.[10][12]

Например, Ма X., Gosai A. et al. Использовали спектроскопию динамических сил наряду с моделированием молекулярной динамики, чтобы выяснить силу связывания между тромбином, белком свертывания крови и его ДНК-аптамером.[13]

Акустическая силовая спектроскопия

Недавно разработанный метод, акустическая силовая спектроскопия (AFS), позволяет управлять силой сотен одиночных молекул и одиночных ячеек параллельно, обеспечивая высокую экспериментальную производительность.[5] В этом методе пьезоэлемент резонансно возбуждает плоские акустические волны над микрожидкостным чипом. Генерируемые акустические волны способны воздействовать на микросферы с плотностью, отличной от плотности окружающей среды. Биомолекулы, такие как ДНК, РНК или белки, могут быть индивидуально привязаны между микросферами и поверхностью, а затем исследованы акустическими силами, создаваемыми пьезосенсором. Клетками можно манипулировать с помощью акустических сил напрямую или с помощью микросфер в качестве ручек.[14] С помощью устройств AFS можно прикладывать силы в диапазоне от 0 до нескольких сотен пиконьютонов на сотни микросфер и параллельно получать кривые расширения силы или гистограммы разрывных сил многих отдельных событий.

Оптический пинцет

Другой метод, который набирает популярность для экспериментов с одиночными молекулами, - это использование оптический пинцет для приложения механических сил к молекулам. Сильно сфокусированный лазер Луч имеет способность улавливать и удерживать частицы (диэлектрического материала) в диапазоне размеров от нанометров до микрометров. Захватывающее действие оптического пинцета является результатом действия дипольной силы или силы оптического градиента на диэлектрической сфере. Техника использования сфокусированного лазерного луча в качестве ловушки для атомов впервые была применена в 1984 году в лабораториях Bell. До этого эксперименты проводились с использованием противоположно направленных лазеров как средства захвата частиц. Более поздние эксперименты, проводившиеся в том же проекте в лабораториях Белла и в других с тех пор, показали, что манипуляции с клетками без повреждений производятся с помощью инфракрасного лазера. Таким образом, была создана почва для биологических экспериментов с оптическим захватом.

У каждой техники есть свои достоинства и недостатки. Например, кантилеверы AFM могут измерять миллисекундные события и силы, превышающие 10 пН. Хотя стеклянные микроволокна не могут достичь такого точного пространственного и временного разрешения, они могут измерять пиконьютонные силы. Оптический пинцет позволяет измерять пиконьютонные силы и нанометровые смещения, что является идеальным диапазоном для многих биологических экспериментов. Магнитный пинцет может измерять фемтоньютонную силу, а также их можно использовать для приложения кручения. Устройства AFS позволяют проводить статистический анализ механических свойств биологических систем, применяя силы пиконьютона к сотням отдельных частиц параллельно с временем отклика менее миллисекунды.

Приложения

Обычное применение силовой спектроскопии - измерение полимер эластичность, особенно биополимеры, такие как РНК и ДНК.[15] Другая биофизический продолжается применение полимерной силовой спектроскопии белок разворачиваясь.[16] Модульные белки могут адсорбироваться на золото или (реже) слюда поверхность а потом растянул. Последовательное развертывание модулей наблюдается в виде очень характерной зубчатой ​​формы графика зависимости силы от удлинения; каждый зуб соответствует разворачиванию одного белкового модуля (кроме последнего, который обычно представляет собой отделение белковой молекулы от кончика). С помощью этого метода можно получить много информации об эластичности белка и его развертывании. Многие белки в живых ячейка должны столкнуться с механическими нагрузками.

Более того, силовая спектроскопия может использоваться для исследования ферментативной активности белков, участвующих в Репликация ДНК, транскрипция, организация и ремонт. Это достигается путем измерения положения бусинки, прикрепленной к комплексу ДНК-белок, застрявшего на веревке ДНК, один конец которой прикреплен к поверхности, при сохранении постоянной силы. Этот метод был использован, например, для изучения ингибирования элонгации транскрипции клебсидином и ацинетодином.[17]

Другое основное применение силовой спектроскопии - изучение механическое сопротивление химических связей. В этом случае обычно наконечник функционализирован лигандом, который связывается с другой молекулой, связанной с поверхностью. Наконечник прижимается к поверхности, обеспечивая контакт между двумя молекулами, а затем втягивается до тех пор, пока вновь образованная связь не разорвется. Измеряется сила разрыва связи. Поскольку механическое разрушение носит кинетический характер, случайный процесс, разрывное усилие не является абсолютным параметром, но зависит как от температуры, так и от скорости вытягивания. Низкие температуры и высокие скорости вытягивания соответствуют более высоким разрывным усилиям. Путем тщательного анализа разрушающей силы при различных скоростях тяги можно отобразить энергия ландшафт химической связи под действием механической силы.[18] Это приводит к интересным результатам при изучении антитело -антиген, белок-белок, белок-живые клетки взаимодействия и ловить облигации.[19]

Недавно этот метод был использован в клеточная биология для измерения совокупного стохастический силы, созданные моторные белки которые влияют на движение частиц в цитоплазме. Таким образом, микроскопия силового спектра может быть использована для лучшего понимания многих клеточных процессов, которые требуют движения частиц внутри цитоплазмы.[20]

использованная литература

  1. ^ Neuman, Keir C; Надь, Аттила (29 мая 2008 г.). «Силовая спектроскопия одиночных молекул: оптический пинцет, магнитный пинцет и атомно-силовая микроскопия». Природные методы. 5 (6): 491–505. Дои:10.1038 / nmeth.1218. ЧВК  3397402. PMID  18511917.
  2. ^ а б Хоффманн, Тони; Дуган, Лорна (2012). «Силовая спектроскопия одиночных молекул с использованием полипротеинов». Обзоры химического общества. 41 (14): 4781–96. Дои:10.1039 / c2cs35033e. PMID  22648310.
  3. ^ Анна Рита Биззарри; Сальваторе Каннистраро (25 января 2012 г.). Спектроскопия динамических сил и распознавание биомолекул. CRC Press. стр. 1–. ISBN  978-1-4398-6237-7.
  4. ^ Джаганнатан, Бхарат; Маркиз, Сьюзен (ноябрь 2013 г.). «Сворачивание и разворачивание белка под действием силы». Биополимеры. 99 (11): 860–869. Дои:10.1002 / bip.22321. ЧВК  4065244. PMID  23784721.
  5. ^ а б Ситтерс, Геррит; Камсма, Доуве; Талхаммер, Грегор; Ритч-Март, Моника; Петерман, Эрвин Дж. Г.; Wuite, Gijs JL (24 ноября 2014 г.). «Акустическая силовая спектроскопия». Природные методы. 12 (1): 47–50. Дои:10.1038 / nmeth.3183. PMID  25419961. S2CID  12886472.
  6. ^ Кишино, Акиёси; Янагида, Тошио (июль 1988 г.). «Измерения силы путем микроманипуляции одной актиновой нити стеклянными иглами». Природа. 334 (6177): 74–76. Bibcode:1988Натура.334 ... 74К. Дои:10.1038 / 334074a0. PMID  3386748. S2CID  4274023.
  7. ^ Evans, E .; Ritchie, K .; Меркель, Р. (июнь 1995 г.). «Техника чувствительной силы для исследования молекулярной адгезии и структурных связей на биологических границах раздела». Биофизический журнал. 68 (6): 2580–2587. Bibcode:1995BpJ .... 68.2580E. Дои:10.1016 / S0006-3495 (95) 80441-8. ЧВК  1282168. PMID  7647261.
  8. ^ Отт, Вольфганг; Jobst, Markus A .; Шулер, Константин; Gaub, Hermann E .; Нэш, Майкл А. (январь 2017 г.). "Одномолекулярная силовая спектроскопия полипротеинов и комплексов рецептор-лиганд: Текущий инструментарий". Журнал структурной биологии. 197 (1): 3–12. Дои:10.1016 / j.jsb.2016.02.011. PMID  26873782.
  9. ^ Бхушан, Бхарат (2017). Справочник Springer по нанотехнологиям. ISBN  9783662543573. OCLC  1012104482.[страница нужна ]
  10. ^ а б Хинтердорфер, Питер; Ван Ойен, Антуан (2009). Справочник по биофизике одиночных молекул. Springer. ISBN  9780387764979. OCLC  534951120.[страница нужна ]
  11. ^ Белл, Г. (12 мая 1978 г.). «Модели специфической адгезии клеток к клеткам». Наука. 200 (4342): 618–627. Bibcode:1978Научный ... 200..618B. Дои:10.1126 / science.347575. PMID  347575.
  12. ^ Петросян, Р. (2020). «Определение разворачивающей силы и единая модель зависимости средней разворачивающей силы от скорости нагружения». J. Stat. Мех. 2020 (33201): 033201. Дои:10.1088 / 1742-5468 / ab6a05.
  13. ^ Ма, Сяо; Госай, Агниво; Баласубраманян, Ганеш; Шротрия, Пранав (май 2019 г.). «Силовая спектроскопия взаимодействия тромбин-аптамер: сравнение экспериментов АСМ и моделирования молекулярной динамики». Прикладная наука о поверхности. 475: 462–472. Bibcode:2019ApSS..475..462M. Дои:10.1016 / j.apsusc.2019.01.004.
  14. ^ Соркин, Рая; Бергамаски, Джулия; Камсма, Доуве; Бренд, парень; Декель, Эля; Офир-Бирин, Йифат; Рудик, Ариэль; Жиронелла, Марта; Риторт, Феликс; Регев-Рудски, Нета; Roos, Wouter H .; Wuite, Gijs J. L .; Дишер, Деннис (8 августа 2018 г.). «Зондирование клеточной механики с помощью акустической силовой спектроскопии». Молекулярная биология клетки. 29 (16): 2005–2011. Дои:10.1091 / mbc.E18-03-0154. ЧВК  6232971. PMID  29927358.
  15. ^ Уильямс, Марк С; Рузина, Юлия (01.06.2002). «Силовая спектроскопия одиночных молекул ДНК и РНК». Текущее мнение в структурной биологии. 12 (3): 330–336. Дои:10.1016 / S0959-440X (02) 00340-8. ISSN  0959-440X. PMID  12127451.
  16. ^ Jagannathan, B .; Elms, P.J .; Bustamante, C .; Маркиз, С. (4 сентября 2012 г.). «Прямое наблюдение индуцированного силой переключения в анизотропном механическом пути разворачивания белка». Труды Национальной академии наук. 109 (44): 17820–17825. Bibcode:2012PNAS..10917820J. Дои:10.1073 / pnas.1201800109. ЧВК  3497811. PMID  22949695.
  17. ^ Метелев Михаил; Арсеньев, Анатолий; Бушин, Лия Б .; Кузнеделов, Константин; Артамонова, Татьяна Олеговна; Кондратенко, Руслан; Ходорковский Михаил; Seyedsayamdost, Mohammad R .; Северинов, Константин (3 февраля 2017 г.). «Ацинетодин и клебсидин, РНК-полимераза, нацеленная на пептиды лассо, продуцируемые человеческими изолятами Acinetobacter gyllenbergii и Klebsiella pneumoniae». ACS Химическая биология. 12 (3): 814–824. Дои:10.1021 / acschembio.6b01154. PMID  28106375.
  18. ^ Merkel, R .; Nassoy, P .; Leung, A .; Ritchie, K .; Эванс, Э. (январь 1999 г.). «Энергетические ландшафты связей рецептор-лиганд исследованы с помощью динамической силовой спектроскопии». Природа. 397 (6714): 50–53. Дои:10.1038/16219. ISSN  1476-4687. PMID  9892352. S2CID  4419330.
  19. ^ Шулер, Константин; Малиновска, Клара Х .; Бернарди, Рафаэль С .; Миллес, Лукас Ф .; Йобст, Маркус А .; Дурнер, Эллис; Отт, Вольфганг; Жареный, Даниэль Б .; Байер, Эдвард А .; Шультен, Клаус; Gaub, Hermann E .; Нэш, Майкл А. (8 декабря 2014 г.). «Ультрастабильный адгезионно-целлюлозный комплекс сжимается под нагрузкой». Nature Communications. 5 (1): 5635. Bibcode:2014 НатКо ... 5E5635S. Дои:10.1038 / ncomms6635. ЧВК  4266597. PMID  25482395.
  20. ^ Го, Мин; Ehrlicher, Allen J .; Jensen, Mikkel H .; Ренц, Мальте; Мур, Джеффри Р .; Голдман, Роберт Д .; Липпинкотт-Шварц, Дженнифер; Mackintosh, Frederick C .; Вайц, Дэвид А. (август 2014 г.). «Исследование стохастических, двигательных свойств цитоплазмы с использованием микроскопии спектра силы». Ячейка. 158 (4): 822–832. Дои:10.1016 / j.cell.2014.06.051. ЧВК  4183065. PMID  25126787.

Список используемой литературы