Pinces magnétiques à grande vitesse pour les mesures nanomécaniques sur des éléments sensibles à la force

Celine Park; Taehyun Yang; Sang-Hyun Rah; Hyun Gyu Kim; Tae-Young Yoon; Min Ju Shon

doi:10.3791/65137

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Article de méthode

Pinces magnétiques à grande vitesse pour les mesures nanomécaniques sur des éléments sensibles à la force

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DOI :

10.3791/65137

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12 mai 2023

Celine Park^*¹ , Taehyun Yang^*¹ , Sang-Hyun Rah¹ , Hyun Gyu Kim²^,³ , Tae-Young Yoon²^,³ , Min Ju Shon¹^,⁴

¹Department of Physics, Pohang University of Science and Technology (POSTECH), ²School of Biological Sciences, Seoul National University, ³Institute for Molecular Biology and Genetics, Seoul National University, ⁴School of Interdisciplinary Bioscience and Bioengineering, Pohang University of Science and Technology (POSTECH)

^* These authors contributed equally

Dans cet article

Résumé

Ici, nous décrivons une pince magnétique à haute vitesse qui effectue des mesures nanomécaniques sur des biomolécules sensibles à la force à la vitesse maximale de 1,2 kHz. Nous introduisons son application aux épingles à cheveux à ADN et aux complexes SNARE en tant que systèmes modèles, mais elle sera également applicable à d’autres molécules impliquées dans des événements mécanobiologiques.

Résumé

Les pincettes magnétiques à molécule unique (MT) ont servi d’outils puissants pour interroger avec force les biomolécules, telles que les acides nucléiques et les protéines, et sont donc sur le point d’être utiles dans le domaine de la mécanobiologie. Étant donné que la méthode repose généralement sur le suivi des billes magnétiques basé sur l’image, la limite de vitesse dans l’enregistrement et l’analyse des images, ainsi que les fluctuations thermiques des billes, ont longtemps entravé son application dans l’observation de changements structurels petits et rapides dans les molécules cibles. Cet article décrit en détail les méthodes de construction et d’exploitation d’une installation de traduction automatique à haute résolution capable de résoudre la dynamique nanométrique en millisecondes des biomolécules et de leurs complexes. À titre d’exemples d’application, des expériences avec des épingles à cheveux à ADN et des complexes SNARE (machinerie de fusion membranaire) sont démontrées, en se concentrant sur la façon dont leurs états transitoires et transitions peuvent être détectés en présence de forces à l’échelle du piconewton. Nous nous attendons à ce que les MT à grande vitesse continuent de permettre des mesures nanomécaniques de haute précision sur des molécules qui détectent, transmettent et génèrent des forces dans les cellules, approfondissant ainsi notre compréhension moléculaire de la mécanobiologie.

Introduction

Les cellules détectent activement les stimuli mécaniques et y répondent. Ce faisant, de nombreuses biomolécules présentent des propriétés dépendantes de la force qui permettent des changements structurels dynamiques. Des exemples très appréciés incluent les canaux ioniques mécanosensibles et les éléments cytosquelettiques qui fournissent aux cellules des informations mécaniques clés de leur environnement.

En outre, les molécules qui présentent une nature unique de force porteuse peuvent également être considérées comme mécanosensibles dans un sens plus large. Par exemple, la formation locale et la fusion des duplex d’acides nucléiques, ains....