Spektroskopi Gaya Molekul Tunggal

Menarik molekul individual untuk membukanya atau memutuskan ikatannya, dan membaca tanda gaya yang dihasilkan untuk mempelajari bagaimana gaya mengubah stabilitas dan kinetika molekuler.

Definition

Spektroskopi gaya molekul tunggal adalah pengukuran respons mekanis molekul individual terhadap gaya yang diterapkan, digunakan untuk mengkarakterisasi pembukaan lipatan, putusnya ikatan, dan kinetika yang bergantung pada gaya.

Scope

Topik ini mencakup spektroskopi gaya: menerapkan gaya landai atau konstan pada molekul tunggal—seringkali dengan mikroskopi gaya atom atau "optical tweezers"—dan menginterpretasikan peristiwa pembukaan lipatan dan putusnya ikatan. Ini memperkenalkan elastisitas rantai mirip cacing pada polimer, tanda gigi gergaji dari pembukaan lipatan protein modular, dan teori bagaimana gaya yang diterapkan mempercepat putusnya ikatan. Instrumen itu sendiri dibahas dalam topik "tweezers" yang berdekatan.

Core questions

• Bagaimana molekul tunggal merespons saat gaya yang meningkat diterapkan?
• Apa yang diungkapkan oleh tanda gaya pembukaan lipatan dan putusnya ikatan tentang struktur?
• Bagaimana gaya yang diterapkan mengubah laju pembukaan lipatan atau pelepasan ikatan?
• Mengapa gaya putus bergantung pada seberapa cepat gaya ditingkatkan?

Key theories

Putusnya ikatan yang dipercepat gaya

Model Bell memperlakukan gaya yang diterapkan sebagai penurun penghalang energi untuk disosiasi, sehingga laju "off-rate" meningkat secara eksponensial dengan gaya, membuat gaya putus bergantung pada laju pemuatan.

Elastisitas polimer dan tanda pembukaan lipatan

Peregangan rantai mengikuti respons rantai mirip cacing entropik sampai modul terlipat menyerah, menghasilkan gigi gergaji karakteristik dari tegangan yang meningkat dan pelepasan mendadak yang mencirikan arsitektur mekanis molekul.

Mechanisms

Ketika molekul yang terikat ditarik, perpanjangannya pertama-tama mengikuti elastisitas polimer entropik, yang dijelaskan dengan baik oleh model rantai mirip cacing, karena fluktuasi termal diluruskan. Seiring meningkatnya tegangan, domain terlipat atau kompleks terikat mencapai gaya di mana penghalang energi untuk pembukaan lipatan atau putusnya ikatan cukup menurun sehingga mereka menyerah, melepaskan panjang dan menurunkan tegangan sebelum elemen berikutnya memuat. Karena kebisingan termal mendorong pelepasan yang sebenarnya, gaya di mana suatu peristiwa terjadi bersifat stokastik dan meningkat dengan laju pemuatan, suatu ketergantungan yang digunakan untuk memetakan lanskap energi yang mendasarinya.

Clinical relevance

Stabilitas mekanis protein dan ikatan penting untuk jaringan di bawah beban, adhesi sel, dan protein yang menanggung gaya secara fisiologis, sehingga metode di sini adalah latar belakang pendidikan untuk biologi tersebut daripada nasihat klinis.

History

Model Bell tahun 1978 tentang waktu hidup ikatan yang bergantung pada gaya memberikan teori, dan penarikan protein modular seperti titin dengan mikroskop gaya atom pada tahun 1990-an menghasilkan gigi gergaji pembukaan lipatan yang khas, menetapkan spektroskopi gaya sebagai cara untuk menyelidiki stabilitas mekanis satu molekul pada satu waktu.

Key figures

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

Seminal works

• bell1978
• nelson2014

Frequently asked questions

Mengapa gaya putus bergantung pada kecepatan penarikan?

Karena fluktuasi termal pada akhirnya memutuskan ikatan, pemuatan yang lebih cepat memberikan lebih sedikit waktu bagi fluktuasi untuk melakukannya pada gaya rendah, sehingga ikatan cenderung putus pada gaya yang lebih tinggi ketika ditarik lebih cepat.

Apa itu gigi gergaji pembukaan lipatan?

Ketika rantai domain terlipat diregangkan, setiap domain terbuka pada gaya tinggi dan tiba-tiba menambah panjang, menurunkan tegangan; pengulangan ini pada beberapa domain menghasilkan kurva gaya berbentuk gigi gergaji.