Оптические и магнитные пинцеты

Инструменты, которые захватывают микроскопическую бусину светом или магнитными полями для приложения и измерения пиконьютонных сил к одной прикрепленной биомолекуле.

Definition

Оптические и магнитные пинцеты — это инструменты для работы с одиночными молекулами, которые удерживают микросферу оптическими или магнитными силами для приложения и измерения контролируемых пиконьютонных сил, а в случае магнитных пинцетов — крутящих моментов, к прикрепленной молекуле.

Scope

Эта тема охватывает два основных метода манипулирования силой в биофизике одиночных молекул: оптические пинцеты, которые захватывают диэлектрическую бусину в фокусе лазера, и магнитные пинцеты, которые тянут и скручивают магнитную бусину. В ней объясняется, как каждый из них генерирует и калибрует силу, какие наблюдаемые параметры они предоставляют, и их взаимодополняющие сильные стороны, при этом механическое разворачивание и анализ траекторий рассматриваются в соседних темах.

Core questions

• Как сфокусированный лазерный луч захватывает микроскопическую бусину?
• Как калибруются и измеряются силы, приложенные пинцетами?
• Как магнитные пинцеты прикладывают как крутящий момент, так и силу?
• Какие молекулярные процессы лучше всего изучать каждым методом?

Key theories

Градиентно-силовая оптическая ловушка

Плотно сфокусированный лазерный луч создает восстанавливающую градиентную силу, которая удерживает диэлектрическую бусину вблизи фокуса, поэтому небольшие смещения сообщают о силе, а бусина действует как калиброванный захват для прикрепленной молекулы.

Исследование молекул методом «сила-растяжение»

Растяжение прикрепленной молекулы и регистрация ее растяжения в зависимости от силы напрямую исследует эластичность и структурные переходы, как, например, при перерастяжении двухцепочечной ДНК.

Mechanisms

В оптических пинцетах градиент интенсивности сфокусированного лазера поляризует диэлектрическую бусину и притягивает ее к фокусу; ловушка ведет себя как мягкая пружина, поэтому смещение бусины, отслеживаемое с нанометровой точностью, дает приложенную силу после калибровки по тепловым флуктуациям или вязкому сопротивлению. В магнитных пинцетах внешний градиент поля тянет магнитную бусину, а вращающееся поле скручивает ее, что позволяет прикладывать как растягивающую силу, так и контролируемый крутящий момент. Таким образом, одиночная молекула, прикрепленная между бусиной и поверхностью, механически нагружается, в то время как регистрируется ее растяжение.

Clinical relevance

Измерения с помощью пинцетов выявляют механику двигателей, полимераз и нуклеиновых кислот, имеющих биомедицинское значение, предоставляя образовательные сведения о молекулярных механизмах, а не клинические рекомендации.

History

Демонстрация Эшкиным однолучевой градиентной оптической ловушки в 1986 году, отмеченная позднее Нобелевской премией, позволила проводить эксперименты с силами на одиночных молекулах, такие как растяжение отдельных молекул ДНК, в то время как магнитные пинцеты добавили контролируемый крутящий момент для изучения скручивания и суперспирализации.

Key figures

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

Seminal works

• ashkin1986
• smith1996

Frequently asked questions

Как свет может удерживать бусину на месте?

Плотно сфокусированный лазер создает градиент интенсивности, который поляризует прозрачную бусину и притягивает ее к самой яркой точке, образуя стабильную ловушку, действующую как крошечная пружина.

В чем разница между оптическими и магнитными пинцетами?

Оптические пинцеты обеспечивают высокое пространственное и временное разрешение и жесткий захват, в то время как магнитные пинцеты естественным образом прикладывают постоянную силу и могут скручивать молекулу, что делает их подходящими для изучения крутящего момента и суперспирализации.