Pinzette magnetiche ad alta velocità per misure nanomeccaniche su elementi sensibili alla forza

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

doi:10.3791/65137

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Articolo metodologico

Pinzette magnetiche ad alta velocità per misure nanomeccaniche su elementi sensibili alla forza

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DOI:

10.3791/65137

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12 maggio 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

In questo articolo

Sommario

Qui, descriviamo una configurazione di pinzette magnetiche ad alta velocità che esegue misurazioni nanomeccaniche su biomolecole sensibili alla forza alla velocità massima di 1,2 kHz. Presentiamo la sua applicazione a forcine di DNA e complessi SNARE come sistemi modello, ma sarà applicabile anche ad altre molecole coinvolte in eventi meccanobiologici.

Abstract

Le pinzette magnetiche a singola molecola (MT) sono servite come potenti strumenti per interrogare con forza le biomolecole, come gli acidi nucleici e le proteine, e sono quindi pronte per essere utili nel campo della meccanobiologia. Poiché il metodo si basa comunemente sul tracciamento basato su immagini delle sfere magnetiche, il limite di velocità nella registrazione e nell'analisi delle immagini, così come le fluttuazioni termiche delle perle, ha a lungo ostacolato la sua applicazione nell'osservazione di piccoli e veloci cambiamenti strutturali nelle molecole bersaglio. Questo articolo descrive metodi dettagliati per la costruzione e il funzionamento di una configurazione MT ad alta risoluzione in grado di risolvere dinamiche su scala nanometrica e millisecondi delle biomolecole e dei loro complessi. Come esempi applicativi, vengono dimostrati esperimenti con forcine di DNA e complessi SNARE (meccanismo di fusione a membrana), concentrandosi su come i loro stati transitori e transizioni possono essere rilevati in presenza di forze su scala piconewton. Ci aspettiamo che le MT ad alta velocità continueranno a consentire misurazioni nanomeccaniche ad alta precisione su molecole che rilevano, trasmettono e generano forze nelle cellule, e quindi approfondiscono la nostra comprensione a livello molecolare della meccanobiologia.

Introduzione

Le cellule percepiscono attivamente e rispondono agli stimoli meccanici. In tal modo, molte biomolecole mostrano proprietà dipendenti dalla forza che consentono cambiamenti strutturali dinamici. Esempi ben apprezzati includono canali ionici meccanosensibili ed elementi citoscheletrici che forniscono alle cellule informazioni meccaniche chiave dall'ambiente circostante.

Inoltre, le molecole che mostrano una natura portante unica possono anche essere considerate meccanosensibili in un senso più ampio. Ad esempio, la formazione locale e la fusione di duplex di acidi nucleici, così come strutture di ordine superiore come i G-quadruplex, svolgon....