Силовая спектроскопия (Vnlkfgx vhytmjkvtkhnx)

Перейти к навигации Перейти к поиску

Силовая спектроскопия представляет собой набор методов для изучения взаимодействий одиночных молекул.[1][2] Эти методы можно использовать для измерения механических свойств полимерных молекул (нуклеиновых кислот, белков) или отдельных химических связей . Название «силовая спектроскопия» может несколько вводить в заблуждение, поскольку истинного взаимодействия материи и излучения не существует.[3]

Силовая спектроскопия включает такие методы как атомно-силовая микроскопия,[2] оптический пинцет,[4] магнитный пинцет, акустическая силовая спектроскопию,[5] микроиглы,[6] и биомембраны.[7]

Силовая спектроскопия отслеживает поведение молекулы под действием приложенной силы. С помощью силовой спектроскопии в последние годы были получены новые знания о свойствах ферментов, ответственных за сокращение мышц, транспорт в клетке, выработку энергии (F1-АТФаза), репликацию и транскрипцию ДНК (полимеразы), расплетание и раскручивание ДНК. топоизомеразы и хеликазы).

Подходы силовой спектроскопии позволяют исследователю определять свойства конкретной изучаемой молекулы. В частности, могут наблюдаться редкие события, например конформационные изменения, которые не могут быть заргестрированы при проведенних ансамблевых измерений.

Экспериментальные методы

[править | править код]

Есть довольно большое число способов точно манипулировать одиночными молекулами. Среди них выделяются оптический и магнитный пинцеты, кантилеверы атомно-силового микроскопа (АСМ) и акустическая силовая сппектроскопия. Во всех этих методах биомолекула, такая как белок, ДНК или какой-либо другой биополимер, одним концом связана с поверхностью (или микросферой), а другим — с датчиком силы. Датчик силы обычно представляет собой шарик микрометрового размера или кантилевер, по смещению которого можно определить величину силы.

Акустическая силовая спектроскопия

[править | править код]

Недавно разработанный метод акустической силовой спектроскопии (АСС) позволяет воздействовать на сотни одиночных молекул одновременно, что обеспечивает высокую экспериментальную производительность в сравнении например с оптическим пинцетом.[5] Воздействие на молекулы производится засчет пьезоэлемента, расположенного над микрофлюидным чипом, который резонансно возбуждает плоские акустические волны . Генерируемые акустические волны способны воздействовать на микросферы, к которым присоединены различные биомолекулы, такие как ДНК, РНК или белки. Анализ данных производится по смещению микросфер. С помощью устройств AFS можно прикладывать силы в диапазоне от 0 до нескольких сотен пикоНьютонов к сотням микросфер, что в теории обеспечивает быстрой набор экспериментальных данных.

Этот метод в основном используется для изучения ДНК-связывающих белков. Например, АСС использовалась для изучения бактериальной транскрипции в присутствии антибактериальных агентов.[8][9] Вирусные белки также можно исследовать с помощью АСС, например, этот метод использовался для изучения уплотнения ДНК наряду с другими одномолекулярными подходами, .[10]

Клетками также можно манипулировать с помощью акустических сил напрямую или с помощью микросфер в качестве ручек.[11]

Приложения

[править | править код]

Обычно силовая спектроскопия применяется для измерения эластичности полимеров, особенно таких биополимеров, как РНК и ДНК .[12] Другое биофизическое применение силовой спектроскопии связано с изучением анфолдинга белка .[13]

Более того, силовую спектроскопию можно использовать для исследования ферментативной активности белков, участвующих в репликации, транскрипции, организации и репарации ДНК. Это достигается путем измерения положения шарика, прикрепленного к комплексу ДНК-белок, передвигающегося по нити ДНК, один конец которой прикреплен к поверхности . Этот метод использовался, например, для изучения ингибирования элонгации транскрипции клебсидином и ацинетодином.[14]

Примечания

[править | править код]
  1. Neuman, Keir C (29 May 2008). "Single-molecule force spectroscopy: optical tweezers, magnetic tweezers and atomic force microscopy". Nature Methods. 5 (6): 491—505. doi:10.1038/nmeth.1218. PMID 18511917.
  2. 1 2 Hoffmann, Toni (2012). "Single molecule force spectroscopy using polyproteins". Chemical Society Reviews. 41 (14): 4781—96. doi:10.1039/c2cs35033e. PMID 22648310.
  3. Anna Rita Bizzarri. Dynamic Force Spectroscopy and Biomolecular Recognition / Anna Rita Bizzarri, Salvatore Cannistraro. — CRC Press, 25 January 2012. — P. 1–. — ISBN 978-1-4398-6237-7.
  4. Jagannathan, Bharat (November 2013). "Protein folding and unfolding under force". Biopolymers. 99 (11): 860—869. doi:10.1002/bip.22321. PMID 23784721.
  5. 1 2 Sitters, Gerrit (24 November 2014). "Acoustic force spectroscopy". Nature Methods. 12 (1): 47—50. doi:10.1038/nmeth.3183. PMID 25419961.
  6. Kishino, Akiyoshi (July 1988). "Force measurements by micromanipulation of a single actin filament by glass needles". Nature. 334 (6177): 74—76. Bibcode:1988Natur.334...74K. doi:10.1038/334074a0. PMID 3386748.
  7. Evans, E. (June 1995). "Sensitive force technique to probe molecular adhesion and structural linkages at biological interfaces". Biophysical Journal. 68 (6): 2580—2587. Bibcode:1995BpJ....68.2580E. doi:10.1016/S0006-3495(95)80441-8. PMID 7647261.
  8. Anatolii Arseniev, Mikhail Panfilov, Georgii Pobegalov, Alina Potyseva, Polina Pavlinova, Maria Yakunina, Mikhail Khodorkovskiy. Характеризация на уровне одиночных молекул параметров транскрипции бактериальной РНК-полимеразы методом акустической силовой спектроскопии. — 2022. — doi:10.18721/JPM.15107. Архивировано 2 апреля 2023 года.
  9. Metelev, Mikhail (2017-03-17). "Acinetodin and Klebsidin, RNA Polymerase Targeting Lasso Peptides Produced by Human Isolates of Acinetobacter gyllenbergii and Klebsiella pneumoniae". ACS Chemical Biology (англ.). 12 (3): 814—824. doi:10.1021/acschembio.6b01154. ISSN 1554-8929. Архивировано 2 апреля 2023. Дата обращения: 2 апреля 2023.
  10. Marchetti, Margherita (2019-08-14). "Real-Time Assembly of Viruslike Nucleocapsids Elucidated at the Single-Particle Level". Nano Letters (англ.). 19 (8): 5746—5753. doi:10.1021/acs.nanolett.9b02376. ISSN 1530-6984. PMID 31368710. Архивировано 2 апреля 2023. Дата обращения: 2 апреля 2023.
  11. Sorkin, Raya (8 August 2018). "Probing cellular mechanics with acoustic force spectroscopy". Molecular Biology of the Cell. 29 (16): 2005—2011. doi:10.1091/mbc.E18-03-0154. PMID 29927358.
  12. Williams, Mark C (2002-06-01). "Force spectroscopy of single DNA and RNA molecules". Current Opinion in Structural Biology (англ.). 12 (3): 330—336. doi:10.1016/S0959-440X(02)00340-8. ISSN 0959-440X. PMID 12127451.
  13. Jagannathan, B. (4 September 2012). "Direct observation of a force-induced switch in the anisotropic mechanical unfolding pathway of a protein". Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (44): 17820—17825. Bibcode:2012PNAS..10917820J. doi:10.1073/pnas.1201800109. PMID 22949695.
  14. Metelev, Mikhail (3 February 2017). "Acinetodin and Klebsidin, RNA Polymerase Targeting Lasso Peptides Produced by Human Isolates of Acinetobacter gyllenbergii and Klebsiella pneumoniae". ACS Chemical Biology. 12 (3): 814—824. doi:10.1021/acschembio.6b01154. PMID 28106375.