Pinces optiques et magnétiques

Instruments qui saisissent une microbille à l'aide de champs lumineux ou magnétiques pour appliquer et mesurer des forces de l'ordre du piconewton sur une biomolécule unique attachée.

Definition

Les pinces optiques et magnétiques sont des instruments à molécule unique qui maintiennent une microsphère à l'aide de forces optiques ou magnétiques pour exercer et mesurer des forces contrôlées de l'ordre du piconewton, et dans le cas magnétique des couples, sur une molécule liée.

Scope

Ce sujet aborde les deux principales méthodes de manipulation de force en biophysique à l'échelle de la molécule unique : les pinces optiques, qui piègent une bille diélectrique au foyer d'un laser, et les pinces magnétiques, qui tirent et font tourner une bille magnétique. Il explique comment chacune génère et calibre la force, les observables qu'elles fournissent, et leurs atouts complémentaires, le dépliement mécanique et l'analyse de trajectoire étant traités dans des sujets voisins.

Core questions

• Comment un faisceau laser focalisé piège-t-il une bille microscopique ?
• Comment les forces exercées par les pinces sont-elles calibrées et mesurées ?
• Comment les pinces magnétiques appliquent-elles un couple en plus d'une force ?
• Quels processus moléculaires sont les mieux étudiés avec chaque méthode ?

Key theories

Piège optique à force de gradient

Un faisceau laser fortement focalisé exerce une force de gradient de rappel qui maintient une bille diélectrique près du foyer, de sorte que de petits déplacements indiquent la force et que la bille agit comme une poignée calibrée sur une molécule attachée.

Interrogation force-extension des molécules

Tirer sur une molécule liée et enregistrer son extension en fonction de la force permet de sonder directement l'élasticité et les transitions structurelles, comme dans la transition de surextension de l'ADN double brin.

Mechanisms

Dans les pinces optiques, le gradient d'intensité d'un laser focalisé polarise une bille diélectrique et l'attire vers le foyer ; le piège se comporte comme un ressort souple, de sorte que le déplacement de la bille, suivi avec une précision nanométrique, donne la force appliquée après étalonnage par rapport aux fluctuations thermiques ou à la traînée visqueuse. Dans les pinces magnétiques, un gradient de champ externe tire une bille magnétique et un champ rotatif la fait tourner, permettant à la fois une force d'étirement et un couple contrôlé. Une molécule unique liée entre la bille et une surface est ainsi chargée mécaniquement tandis que son extension est enregistrée.

Clinical relevance

Les mesures par pinces révèlent la mécanique des moteurs, des polymérases et des acides nucléiques qui sont biomédicalement importants, offrant un aperçu éducatif du mécanisme moléculaire plutôt qu'une recommandation clinique.

History

La démonstration par Ashkin du piège optique à gradient à faisceau unique en 1986, reconnue par un prix Nobel ultérieur, a permis des expériences de force à l'échelle de la molécule unique, telles que l'étirement de molécules d'ADN individuelles, tandis que les pinces magnétiques ont ajouté un couple contrôlé pour l'étude de la torsion et du surenroulement.

Key figures

• Arthur Ashkin
• Steven Chu
• Carlos Bustamante
• Steven Block

Seminal works

• ashkin1986
• smith1996

Frequently asked questions

Comment la lumière peut-elle maintenir une bille en place ?

Un laser fortement focalisé crée un gradient d'intensité qui polarise une bille transparente et l'attire vers le point le plus lumineux, formant un piège stable qui agit comme un minuscule ressort.

Quelle est la différence entre les pinces optiques et magnétiques ?

Les pinces optiques offrent une haute résolution spatiale et temporelle et un piégeage rigide, tandis que les pinces magnétiques appliquent naturellement une force constante et peuvent faire tourner la molécule, ce qui les rend adaptées à l'étude du couple et du surenroulement.