Kẹp quang học và kẹp từ

Các thiết bị dùng để kẹp một hạt vi mô bằng ánh sáng hoặc từ trường nhằm tác dụng và đo lực piconewton lên một phân tử sinh học đơn lẻ được gắn vào.

Definition

Kẹp quang học và kẹp từ là các thiết bị phân tử đơn lẻ dùng để giữ một vi cầu bằng lực quang học hoặc từ trường nhằm tác dụng và đo các lực piconewton được kiểm soát, và trong trường hợp kẹp từ là mô-men xoắn, lên một phân tử được gắn.

Scope

Chủ đề này bao gồm hai phương pháp thao tác lực chính trong vật lý sinh học phân tử đơn: kẹp quang học, dùng để bẫy một hạt điện môi tại tiêu điểm laser, và kẹp từ, dùng để kéo và xoắn một hạt từ. Nó giải thích cách mỗi phương pháp tạo ra và hiệu chuẩn lực, những đại lượng quan sát mà chúng cung cấp, và những điểm mạnh bổ sung của chúng, với việc phân tích sự giãn nở cơ học và quỹ đạo được đề cập trong các chủ đề lân cận.

Core questions

• Làm thế nào một chùm tia laser hội tụ có thể bẫy một hạt vi mô?
• Làm thế nào các lực tác dụng bởi kẹp được hiệu chuẩn và đo lường?
• Làm thế nào kẹp từ tác dụng cả mô-men xoắn và lực?
• Những quá trình phân tử nào được nghiên cứu tốt nhất bằng mỗi phương pháp?

Key theories

Bẫy quang học lực gradient

Một chùm tia laser hội tụ chặt chẽ tạo ra một lực gradient phục hồi giữ một hạt điện môi gần tiêu điểm, do đó những dịch chuyển nhỏ báo hiệu lực và hạt hoạt động như một tay cầm đã được hiệu chuẩn trên một phân tử gắn liền.

Nghiên cứu phân tử bằng lực–giãn nở

Kéo một phân tử được gắn và ghi lại sự giãn nở của nó theo lực thăm dò trực tiếp độ đàn hồi và các chuyển đổi cấu trúc, như trong quá trình kéo căng quá mức của DNA sợi đôi.

Mechanisms

Trong kẹp quang học, gradient cường độ của một laser hội tụ phân cực một hạt điện môi và kéo nó về phía tiêu điểm; bẫy hoạt động như một lò xo mềm, do đó sự dịch chuyển của hạt, được theo dõi với độ chính xác nanomet, cho biết lực tác dụng sau khi hiệu chuẩn dựa trên dao động nhiệt hoặc lực cản nhớt. Trong kẹp từ, một gradient trường bên ngoài kéo một hạt từ và một trường quay xoắn nó, cho phép cả lực kéo căng và mô-men xoắn được kiểm soát. Một phân tử đơn lẻ được gắn giữa hạt và một bề mặt do đó được tải cơ học trong khi sự giãn nở của nó được ghi lại.

Clinical relevance

Các phép đo bằng kẹp cho thấy cơ chế của các động cơ phân tử, polymerase và axit nucleic có tầm quan trọng y sinh học, cung cấp cái nhìn sâu sắc mang tính giáo dục về cơ chế phân tử hơn là khuyến nghị lâm sàng.

History

Thí nghiệm của Ashkin về bẫy quang học gradient một chùm vào năm 1986, được công nhận bằng giải Nobel sau này, đã cho phép các thí nghiệm lực phân tử đơn lẻ như kéo căng các phân tử DNA riêng lẻ, trong khi kẹp từ bổ sung mô-men xoắn được kiểm soát để nghiên cứu sự xoắn và siêu xoắn.

Key figures

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

Seminal works

• ashkin1986
• smith1996

Frequently asked questions

Làm thế nào ánh sáng có thể giữ một hạt ở đúng vị trí?

Một laser hội tụ chặt chẽ tạo ra một gradient cường độ phân cực một hạt trong suốt và kéo nó về phía điểm sáng nhất, tạo thành một bẫy ổn định hoạt động như một lò xo nhỏ.

Sự khác biệt giữa kẹp quang học và kẹp từ là gì?

Kẹp quang học cung cấp độ phân giải không gian và thời gian cao cùng khả năng bẫy cứng, trong khi kẹp từ tự nhiên tác dụng lực không đổi và có thể xoắn phân tử, khiến chúng phù hợp để nghiên cứu mô-men xoắn và siêu xoắn.