תאים חשים באופן פעיל ומגיבים לגירויים מכניים. בעשותן כך, ביומולקולות רבות מציגות תכונות תלויות כוח המאפשרות שינויים מבניים דינמיים. דוגמאות מוערכות כוללות תעלות יונים רגישות למכנו ואלמנטים ציטו-שלדיים המספקים לתאים מידע מכני חשוב מסביבתם.
בנוסף, מולקולות בעלות אופי ייחודי של נשיאת כוח יכולות להיחשב גם רגישות למכנו במובן רחב יותר. לדוגמה, היווצרות מקומית והתכה של דופלקסים של חומצות גרעין, כמו גם מבנים מסדר גבוה יותר כגון G-quadruplexes, ממלאים תפקידים מכריעים בשכפול, שעתוק, רקומבינציה, ולאחרונה, עריכת גנום. יתר על כן, כמה חלבונים עצביים המעורבים בתקשורת סינפטית לבצע את תפקידיהם על ידי יצירת כוחות פיזיים העולים על רמות של אינטראקציות בין-מולקולריות טיפוסיות. לא משנה איזו דוגמה חוקרים, חקירת ננומכניקה של הביומולקולות המעורבות בדיוק מרחבי-זמני גבוה תוכיח את עצמה כשימושית ביותר בחשיפת מנגנונים מולקולריים של התהליכים המכנוביולוגיים הקשורים 1,2,3.
שיטות ספקטרוסקופיית כוח של מולקולה בודדת שימשו ככלים רבי עוצמה לבחינת התכונות המכניות של ביומולקולות 2,4,5,6. הם יכולים לעקוב אחר שינויים מבניים בחומצות גרעין ובחלבונים במקביל להפעלת כוח, ובכך לבחון תכונות תלויות כוח. שני מערכים ידועים הם פינצטה אופטית ופינצטה מגנטית (MTs), המשתמשים בחרוזים בגודל מיקרון כדי לתפעל מולקולות 5,6,7,8. בפלטפורמות אלה, פוליסטירן (עבור פינצטה אופטית) או חרוזים מגנטיים (עבור MTs) קשורים למולקולות מטרה (למשל, חומצות גרעין וחלבונים) באמצעות "ידיות" מולקולריות, העשויות בדרך כלל מקטעים קצרים של DNA דו-גדילי (dsDNA). לאחר מכן החרוזים מועברים כדי להפעיל כוח ומצולמים כדי לעקוב אחר מיקומם המדווח על שינויים מבניים במולקולות המטרה. פינצטה אופטית ומגנטית ניתנות במידה רבה להחלפה ביישומים שלהן, אך קיימים הבדלים חשובים בגישותיהן לשליטה בכוח. פינצטה אופטית היא במהותה מכשירי מהדק מיקום הלוכדים חרוזים במקומם, שבגללם הכוח המופעל משתנה כאשר מבנה מטרה עובר שינויי צורה; הארכה מוגברת, כגון מפתיחה, משחררת את הקשירה ומפחיתה מתח, ולהיפך. למרות שניתן ליישם משוב אקטיבי כדי לשלוט בכוח בפינצטה אופטית, MTs לעומת זאת פועלים באופן טבעי כמכשיר מהדק כוח, תוך ניצול כוחות מגנטיים יציבים בשדה רחוק על ידי מגנטים קבועים, שיכולים לעמוד גם בהפרעות סביבתיות.
למרות ההיסטוריה הארוכה והעיצוב הפשוט שלהם, MTs פיגרו אחרי פינצטה אופטית ביישומים שלהם למדידות דיוק גבוה, בעיקר בגלל אתגרים טכניים במעקב חרוזים מהיר. לאחרונה, עם זאת, מספר קבוצות הובילו במשותף שיפור רב-גוני של חומרה ותוכנה עבור מכשירי MT 2,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 . בעבודה זו, אנו מציגים דוגמה של מערך כזה הפועל במהירות של 1.2 קילוהרץ ומתארים כיצד להשתמש בו לביצוע מדידות ננו-מכניות על ביומולקולות רגישות לכוח. כמערכות מודל, אנו משתמשים בסיכות ראש של DNA ובקומפלקסים של SNARE עצבי ובוחנים את השינויים המבניים המהירים שלהם במשטר הפיקוניוטון. סיכות ראש DNA מציגות מעברים פשוטים של שני מצבים בטווח כוח מוגדר היטב20,21, ולכן משמשות כמודלים צעצוע כדי לאמת את הביצועים של מערך פינצטה. כאשר חלבוני SNARE מתאספים לקומפלקס רגיש לכוח המניע היתוך ממברנה22, הם נחקרו בהרחבה גם על ידי ספקטרוסקופיית כוח של מולקולה בודדת 14,23,24,25. מוצגות גישות סטנדרטיות לניתוח נתונים וחילוץ מידע שימושי על תרמודינמיקה וקינטיקה. אנו מקווים שמאמר זה יוכל להקל על אימוץ MTs מדויקים במחקרים מכנוביולוגיים ולהניע את הקוראים לחקור את מערכות העניין הרגישות לכוח שלהם.