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Se han estudiado ampliamente los mecanismos de cómo las biomoléculas responden a los estímulos ambientales. En un entorno de flujo en particular, las fuerzas de cizallamiento y elongacional regulan los cambios de conformación y potencialmente la función de las biomoléculas. Ejemplos típicos incluyen el desenmarañamiento inducido por cizallamiento del ADN lambda y el factor von Willebrand (VWF). Lambda DNA se ha utilizado como herramienta para comprender la dinámica conformacional de las cadenas de polímeros individuales y flexibles y la reología de las soluciones poliméricas1,2,3,4. El VWF es un sensor de flujo natural que agrega plaquetas en los sitios de las heridas de los vasos sanguíneos con tasas de cizallamiento y patrones de flujo anormales. El desenmarañamiento de VWF es esencial para activar la unión de plaquetas al dominio A1 y la unión de colágeno al dominio A3. Además, el desdoblamiento del dominio A2 inducido por alto cizallamiento permite el escisión del VWF, que regula su distribución del peso molecular en la circulación5,6. Por lo tanto, la visualización directa de cómo estas moléculas se comportan bajo el flujo puede mejorar en gran medida nuestra comprensión fundamental de su biomecánica y función, lo que a su vez puede permitir nuevas aplicaciones diagnósticas y terapéuticas.
Las metodologías típicas para caracterizar las conformaciones de una sola molécula incluyen pinzas ópticas/magnéticas, microscopía de fuerza atómica (AFM) y transferencia de energía de resonancia de una sola molécula (FRET)7. La espectroscopia de fuerza de una sola molécula es una poderosa herramienta para investigar la fuerza y el movimiento asociados con los cambios de conformación de las biomoléculas. Sin embargo, carece de la capacidad de mapear las conformaciones moleculares generales8. AFM es capaz de crear imágenes con alta resolución espacial, pero está limitada en resolución temporal9,10. Además, el contacto entre la punta y la muestra puede confundir la respuesta inducida por el flujo. Otros métodos como el FRET y el análisis de nanoporos determinan los estados de plegado y despliegue de proteínas de una sola molécula en función de la detección de la distancia intramolecular y los volúmenes excluidos. Sin embargo, estos métodos todavía están en su infancia y limitados en su observación directa de las conformaciones de una sola molécula11,12,13,14.
Por otro lado, observar directamente macromoléculas con alta resolución temporal y espacial bajo microscopía de fluorescencia ha mejorado nuestra comprensión de la dinámica de una sola molécula en muchos procesos biológicos15,16. Por ejemplo, Fu y otros lograron recientemente la visualización simultánea del alargamiento VWF y la unión del receptor de plaquetas por primera vez. En su trabajo, las moléculas de VWF fueron inmovilizadas en la superficie de un canal microfluídico a través de interacciones biotina-estreptavidina e imágenes bajo microscopía de fluorescencia de reflexión interna total (TIRF) en diferentes ambientes de flujo de cizallamiento17. Aplicando un método similar al de Fu, aquí demostramos que las conformaciones de VWF y ADN lambda se pueden observar directamente bajo TIRF y microscopía de fluorescencia confocal. Como se muestra en la Figura 1,los dispositivos microfluídicos se utilizan para crear y controlar el flujo de cizallamiento, y las biomoléculas se inmovilizan en la superficie del canal. Tras la aplicación de diferentes tasas de cizallamiento, se registran conformaciones de la misma molécula para medir la longitud de la extensión, también se muestra en la Figura 1. El método podría aplicarse ampliamente para explorar otros comportamientos de polímeros en entornos de flujo complejos para estudios reológicos y biológicos.