単一分子フォース分光法

個々の分子を引っ張って展開させたり、結合を切断したりすることで、その結果生じる力のシグネチャを読み取り、力が分子の安定性や動力学をどのように変化させるかを解明する。

Definition

単一分子フォース分光法は、加えられた力に対する個々の分子の機械的応答を測定するものであり、展開、結合破断、および力依存性動力学を特徴づけるために用いられる。

Scope

このトピックでは、フォース分光法について扱います。これは、単一分子にランプ状または一定の力を加え（多くの場合、原子間力顕微鏡や光ピンセットを使用）、その展開および破断イベントを解釈するものです。ポリマーのワームライクチェーン弾性、モジュール型タンパク質の展開におけるのこぎり波状のシグネチャ、および加えられた力が結合破断を加速する理論を紹介します。測定装置自体については、関連するピンセットのトピックで扱います。

Core questions

• 力が増加するにつれて、単一分子はどのように応答するか？
• 展開および破断の力のシグネチャは、構造について何を明らかにするか？
• 加えられた力は、展開または解離の速度をどのように変化させるか？
• 破断力が、力がランプ状に増加する速度に依存するのはなぜか？

Key theories

力加速結合破断

ベルのモデルでは、加えられた力が解離のエネルギー障壁を低下させると考えられており、そのためオフ速度は力に対して指数関数的に増加し、破断力は負荷速度に依存する。

ポリマー弾性と展開シグネチャ

鎖を伸ばすと、折りたたまれたモジュールが崩壊するまでエントロピー的なワームライクチェーン応答に従い、張力の上昇と突然の解放という特徴的なのこぎり波状のパターンが生じ、分子の機械的構造を特徴づける。

Mechanisms

テザーされた分子が引っ張られると、その伸長はまずエントロピー的なポリマー弾性に従い、これはワームライクチェーンモデルによってよく記述され、熱ゆらぎがまっすぐにされることで生じます。張力が増加するにつれて、折りたたまれたドメインや結合した複合体は、展開または破断に対するエネルギー障壁が十分に低下する力に達し、その結果、長さが解放され、次の要素が負荷される前に張力が低下します。熱ノイズが実際の脱出を駆動するため、イベントが発生する力は確率的であり、負荷速度とともに増加します。この依存性は、根底にあるエネルギーランドスケープをマッピングするために使用されます。

Clinical relevance

タンパク質や結合の機械的安定性は、負荷がかかる組織、細胞接着、生理学的に力を受けるタンパク質にとって重要であるため、ここでの方法は、臨床的助言というよりも、その生物学の教育的背景となります。

History

ベルの1978年の力依存性結合寿命モデルが理論を提供し、1990年代にはチチンなどのモジュール型タンパク質を原子間力顕微鏡で引っ張ることで特徴的な展開のこぎり波状シグネチャが生成され、フォース分光法が機械的安定性を単一分子レベルで調べる方法として確立されました。

Key figures

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

Seminal works

• bell1978
• nelson2014

Frequently asked questions

破断力が引っ張り速度に依存するのはなぜですか？

熱ゆらぎが最終的に結合を切断するため、より速い負荷は、低い力でゆらぎが結合を切断する時間を短くします。そのため、より速く引っ張られると、結合はより高い力で切断される傾向があります。

展開のこぎり波状とは何ですか？

折りたたまれたドメインの鎖が伸ばされると、各ドメインは高い力で展開し、突然長さを加え、張力を低下させます。これが複数のドメインで繰り返されると、のこぎり波状の力曲線が生成されます。