Cytoškielet, sieć biopolimerów występująca w większości komórek eukariotycznych, odgrywa istotną rolę w organizacji komórkowej, transporcie wewnątrzkomórkowym oraz mechanice komórki. Charakterystyka mechaniczna biopolimerów cytoškieletu (przede wszystkim aktyny i mikrotubul) ma kluczowe znaczenie dla wyznaczania właściwości mechanicznych komórki jako całości12. Ponieważ mechanika całej komórki może służyć do charakterystyki komórek zdrowych i chorych13,14 oraz bierze udział w motyliczności komórkowej15, właściwości mechaniczne podstawowych komponentów cytoškieletu stanowią aktywny obszar badań w ciągu ostatnich dwóch dekad1.
Elastyczność (lub sztywność) biopolimerów charakteryzuje długość trwałości, czyli długość polimeru, który pod wpływem fluktuacji termicznych w temperaturze otoczenia ugina się o około jeden radian. Opracowano szereg technik pomiaru długości trwałości16, na przykład techniki aktywne, polegające na zginaniu polimeru za pomocą przepływu hydrodynamicznego, pułapek optycznych lub pól elektrycznych4,17,18, oraz techniki pasywne, w których mierzy się fluktuacje wolnych polimerów w roztworze5,6. Pomiary aktywne wymagają jednak specjalistycznej aparatury do przykładania znanych sił w skali mikrometrycznej, natomiast pomiary swobodnych fluktuacji mogą być problematyczne ze względu na dyfuzję poza płaszczyznę ostrości używanego mikroskopu.
W niniejszym artykule opisujemy komplementarną, pasywną technikę pomiaru długości persystencji mikrotubul, polimeru cytoszkieletowego. Technika ta wykorzystuje testy poślizgu (gliding assays), które zapewniają, że polimer zawsze pozostaje w płaszczyźnie ogniskowania19. Ponadto metoda obejmuje śledzenie pojedynczych fluoroforów trwale przyłączonych do badanego polimeru, co pozwala na dokładną charakterystykę konkretnych miejsc wzdłuż polimeru.
Schematyczna ilustracja metody przedstawiona jest na Rysunku 1. Kinezyna przemieszcza się specyficznie w kierunku końca + mikrotubul, w związku z czym mikrotubule w teście poślizgowym są napędzane jednokierunkowo. Przedni koniec mikrotubuli, znajdujący się poza ostatnią przyłączoną kinezyną, może swobodnie fluktuować pod wpływem sił termicznych otaczającego roztworu. W miarę jak mikrotubula jest napędzana do przodu, jej koniec fluktuuje, aż do momentu związania z nową cząsteczką kinezyny dalej na szkiełku przedmiotowym, co utrwala daną fluktuację. Ponieważ kinezyna wiąże mikrotubule bardzo silnie, mikrotubula jest zmuszona podążać ścieżką swojego przedniego końca. W związku z tym statystyczne fluktuacje utrwalone w trajektorii mikrotubuli są identyczne z fluktuacjami statystycznymi wolnego końca mikrotubul11, co pozwala na obliczenie długości persistencji zgodnie z20

gdzie lp to długość persystencji mikrotubuli, θs to kąt między stycznymi do trajektorii oddalonymi o długość konturową s, a <> oznacza średnią dla wszystkich par pozycji oddzielonych długością konturową s.
Sam test poślizgu (gliding assay) wykorzystuje kinezynę biotynilowaną w obrębie splotu coiled-coil21, która jest specyficznie związana z szkiełkiem przedmiotowym za pomocą wiązania streptawidyna-biotyna. Takie przytwierdzenie zapewnia, że domeny motorowe mogą swobodnie wiązać mikrotubule i napędzać ich ruch. Aby móc śledzić trajektorie mikrotubul, są one rzadko znakowane organicznymi fluoroforami22,23 – gęstość znakowania musi być na tyle niska, aby pojedyncze fluorofory były rozdzielne przy użyciu fluorescencyjnej mikroskopii pojedynczych cząsteczek. Pojedyncze fluorofory są śledzone przy użyciu procedur analizy obrazu napisanych w języku IDL. Trajektorie każdego fluoroforu związanego z daną mikrotubulą są automatycznie łączone w kompozytową trajektorię mikrotubuli24. Obliczane są kąty styczne θ dla każdego punktu wzdłuż trajektorii; z tych kątów stycznych obliczana jest wartość <cosθs> dla każdej długości konturu s. Na koniec dane te są dopasowywane do równania 1 w celu wyznaczenia długości uporządkowania (persistence length) dla danej mikrotubuli lub dla wielu mikrotubul w tym samym teście poślizgu.
Metoda ta jest wystarczająco odporna, aby działać z mikrotubulami przygotowanymi w szerokim zakresie warunków (z różnymi czynnikami stabilizującymi lub innymi małymi cząsteczkami związanymi z mikrotubulą, ze związanymi białkami towarzyszącymi mikrotubulom (MAPs) lub w różnych lepkich roztworach). W naszym laboratorium technika ta była wykorzystywana do charakterystyki długości persystencji mikrotubul w funkcji długości wzdłuż mikrotubul oraz mikrotubul z różnymi czynnikami stabilizującymi. Głównym ograniczeniem jest wymóg, aby mikrotubule nadal umożliwiały ruch kinesyny. Ponieważ kinesyna jest odpornym enzymem motorycznym, jest to ograniczenie dość mało rygorystyczne. Zastępując mikrotubule aktyną, a kinesynę enzymem z rodziny miozyn, można zmierzyć długość persystencji aktyny przy użyciu tej samej techniki.