Spectroscopie de force à molécule unique

Exercer une traction sur des molécules individuelles pour les déplier ou rompre leurs liaisons, et analyser les signatures de force résultantes afin de comprendre comment la force modifie la stabilité et la cinétique moléculaires.

Definition

La spectroscopie de force à molécule unique est la mesure de la réponse mécanique de molécules individuelles à une force appliquée, utilisée pour caractériser le dépliement, la rupture de liaison et la cinétique dépendante de la force.

Scope

Ce sujet traite de la spectroscopie de force : l'application d'une force progressive ou constante à une molécule unique — souvent à l'aide de la microscopie à force atomique ou des pinces optiques — et l'interprétation des événements de dépliement et de rupture. Il présente l'élasticité des polymères de type chaîne en ver de terre (worm-like-chain), les signatures en dents de scie du dépliement des protéines modulaires, et la théorie expliquant comment une force appliquée accélère la rupture des liaisons. Les instruments eux-mêmes sont abordés dans le sujet voisin sur les pinces optiques.

Core questions

• Comment une molécule unique réagit-elle à l'application d'une force croissante ?
• Que révèlent les signatures de force de dépliement et de rupture sur la structure ?
• Comment une force appliquée modifie-t-elle le taux de dépliement ou de déliaison ?
• Pourquoi les forces de rupture dépendent-elles de la vitesse à laquelle la force est appliquée ?

Key theories

Rupture de liaison accélérée par la force

Le modèle de Bell considère la force appliquée comme abaissant la barrière d'énergie à la dissociation, de sorte que le taux de dissociation augmente exponentiellement avec la force, rendant la force de rupture dépendante du taux de chargement.

Élasticité des polymères et signatures de dépliement

L'étirement d'une chaîne suit une réponse entropique de type chaîne en ver de terre jusqu'à ce qu'un module replié cède, produisant une signature caractéristique en dents de scie de tension croissante et de libérations abruptes qui caractérise l'architecture mécanique de la molécule.

Mechanisms

Lorsqu'une molécule attachée est étirée, son extension suit d'abord l'élasticité entropique des polymères, bien décrite par le modèle de chaîne en ver de terre, à mesure que les fluctuations thermiques sont redressées. À mesure que la tension augmente, les domaines repliés ou les complexes liés atteignent une force où la barrière d'énergie au dépliement ou à la rupture est suffisamment abaissée pour qu'ils cèdent, libérant de la longueur et faisant chuter la tension avant que l'élément suivant ne soit sollicité. Étant donné que le bruit thermique est à l'origine de l'échappement réel, la force à laquelle un événement se produit est stochastique et augmente avec le taux de chargement, une dépendance utilisée pour cartographier le paysage énergétique sous-jacent.

Clinical relevance

La stabilité mécanique des protéines et des liaisons est importante pour les tissus soumis à des contraintes, l'adhésion cellulaire et les protéines qui supportent des forces physiologiquement. Les méthodes présentées ici constituent donc une base éducative pour cette biologie plutôt qu'un conseil clinique.

History

Le modèle de Bell de 1978 sur la durée de vie des liaisons dépendante de la force a fourni la théorie, et la traction de protéines modulaires telles que la titine à l'aide de la microscopie à force atomique dans les années 1990 a produit la signature caractéristique en dents de scie du dépliement, établissant ainsi la spectroscopie de force comme un moyen d'étudier la stabilité mécanique molécule par molécule.

Key figures

• George Bell
• Hermann Gaub
• Julio Fernandez
• Evan Evans

Seminal works

• bell1978
• nelson2014

Frequently asked questions

Pourquoi la force de rupture dépend-elle de la vitesse de traction ?

Étant donné que les fluctuations thermiques finissent par rompre la liaison, un chargement plus rapide laisse moins de temps à une fluctuation pour agir à faible force. La liaison tend donc à se rompre à une force plus élevée lorsqu'elle est tirée plus rapidement.

Qu'est-ce que la signature en dents de scie de dépliement ?

Lorsqu'une chaîne de domaines repliés est étirée, chaque domaine se déplie à une force élevée et ajoute soudainement de la longueur, faisant chuter la tension ; répété sur plusieurs domaines, cela produit une courbe de force en forme de dents de scie.