Magnetische Pinzette

Magnetische Pinzette (MT) sind wissenschaftliche Instrumente für die Manipulation und Charakterisierung von Biomolekülen oder Polymeren. Diese Apparate üben Kräfte und Drehmomente auf einzelne Moleküle oder Gruppen von Molekülen aus. Es kann verwendet werden, um die Zugfestigkeit oder die durch Moleküle erzeugte Kraft zu messen.

Am häufigsten werden magnetische Pinzetten verwendet, um mechanische Eigenschaften biologischer Makromoleküle wie zu untersuchen DNA oder Proteine in Einzelmolekülexperimente. Andere Anwendungen sind die Rheologie von weiche Materieund Untersuchungen von kraftsregulierten Prozessen in lebenden Zellen. Kräfte befinden sich typischerweise in der Reihenfolge von Pico-to Nanonewtons. Aufgrund ihrer einfachen Architektur sind magnetische Pinzetten eine beliebte Biophysisch Werkzeug.

In Experimenten wird das interessierende Molekül an ein magnetisches Mikropartikel gebunden. Der magnetische Pinzetten ist mit Magneten ausgestattet, mit denen die Magnetpartikel manipuliert werden, deren Position mit Hilfe der Videomikroskopie gemessen wird.

Konstruktionsprinzip und Physik magnetischer Pinzette

Ein magnetischer Pinzettenapparat besteht aus magnetischen Mikropartikeln, die mit Hilfe eines externen Magnetfelds manipuliert werden können. Die Position der Magnetpartikel wird dann durch ein mikroskopisches Ziel mit einer Kamera bestimmt.

Molecule attached to a tethering surface and a magnetic bead. The bead is placed in a magnetic field gradient that exerts a force on the bead.
Typische Konfiguration für magnetische Pinzetten; Es wird nur das experimentelle Volumen gezeigt.

Magnetpartikel

Magnetpartikel für die Operation in magnetischen Pinzetten sind mit einer Vielzahl von Eigenschaften ausgestattet und müssen gemäß der beabsichtigten Anwendung ausgewählt werden. In den folgenden Absätzen werden zwei grundlegende Arten von Magnetpartikeln beschrieben; Es gibt jedoch auch andere wie magnetische Nanopartikel in Ferrofluide, die Experimente in einer Zelle ermöglichen.

Superparamagnetische Perlen

Superparamagnetisch Perlen sind im Handel mit verschiedenen Merkmalen erhältlich. Am häufigsten ist die Verwendung von kugelförmigen Partikeln mit einem Durchmesser im Mikrometerbereich. Sie bestehen aus einer porösen Latexmatrix, in die magnetische Nanopartikel eingebettet wurden. Latex ist Auto-Fluoreszenz und kann daher vorteilhaft für die Bildgebung ihrer Position sein. Unregelmäßige geformte Partikel weisen eine größere Oberfläche auf und somit eine höhere Wahrscheinlichkeit, an die zu untersuchenden Moleküle zu binden.[1] Die Beschichtung der Mikrokügelchen kann auch Liganden enthalten, die die interessierenden Moleküle befestigen können. Zum Beispiel kann die Beschichtung enthalten Streptavidin Welche Paare stark zu Biotin, was selbst an die Interessensmoleküle gebunden sein kann.

Wenn diese Mikrokügelchen einem externen Magnetfeld ausgesetzt sind, werden sie magnetisiert. Das induzierte magnetische Moment ist proportional zu einem schwachen externen Magnetfeld :

wo ist der Vakuumpermeabilität. Es ist auch proportional zum Volumen des Mikrokugeln, was aus der Tatsache beruht, dass die Anzahl der Magnetgut Nanopartikel Skalen mit der Größe der Perle. Die magnetische Anfälligkeit wird in dieser ersten Schätzung als skalar angenommen und kann berechnet werden , wo ist der Relative Permeabilität. In einem starken externen Feld sättigt das induzierte magnetische Moment bei einem materiellen abhängigen Wert . Die Kraft Erleben von einem Mikrokügelchen kann aus dem Potenzial abgeleitet werden Von diesem magnetischen Moment in einem äußeren Magnetfeld:[2]

Das äußere Magnetfeld kann numerisch mit Hilfe von bewertet werden Finite -Elemente -Analyse oder durch einfaches Messen des Magnetfeldes mit Hilfe von a Hall-Effekt-Sensor. Theoretisch wäre es möglich, die Kraft auf den Perlen mit diesen Formeln zu berechnen; Die Ergebnisse sind jedoch aufgrund von Unsicherheiten der beteiligten Variablen nicht sehr zuverlässig, ermöglichen jedoch die Schätzung der Größenordnung und helfen, das System besser zu verstehen. Genauere numerische Werte können unter Berücksichtigung des Brownsche Bewegung der Perlen.

Wegen Anisotropien In der stochastischen Verteilung der Nanopartikel innerhalb des Mikrokügelchens ist das magnetische Moment nicht perfekt auf das äußere Magnetfeld ausgerichtet, d. H. Das Magneter Suszeptibilitätstensor kann nicht auf einen Skalar reduziert werden. Aus diesem Grund werden die Perlen auch einem Drehmoment unterzogen was versucht, sich auszurichten und :

Die von dieser Methode erzeugten Drehmomente sind typischerweise viel größer als , was mehr als notwendig ist, um die interessierenden Moleküle zu verdrehen.[3]

Ferromagnetische Nanodrähte

Die Verwendung ferromagnetischer Nanodrähte für den Betrieb magnetischer Pinzetten vergrößert ihren experimentellen Anwendungsbereich. Die Länge dieser Drähte liegt typischerweise in der Größenordnung von Zehn Nanometern bis zu zehn Mikrometern, was viel größer als ihr Durchmesser ist. Im Vergleich zu superparamagnetischen Perlen ermöglichen sie die Anwendung viel größerer Kräfte und Drehmomente. Darüber hinaus präsentieren sie einen verbindlichen magnetischen Moment. Dies ermöglicht den Betrieb in schwachen Magnetfeldstärken. Es ist möglich, Nanodrähte mit Oberflächensegmenten zu produzieren, die unterschiedliche chemische Eigenschaften aufweisen, wodurch die Position gesteuert werden kann, in der die untersuchten Moleküle an den Draht binden können.[1]

Magnete

Um die Mikrokügelchen ausüben zu können, sind mindestens zwei Magnete erforderlich und Rotation über a Digitale Rückkopplungsschleife.[4] Die Magnetfeldstärke nimmt ungefähr exponentiell ab, wobei der Abstand von der Achse die beiden Magneten auf einer typischen Skala von etwa der Breite des Lückens zwischen den Magneten verbindet. Da diese Skala im Vergleich zu den Entfernungen ziemlich groß ist, kann die Kraft, die darauf wirkt, als konstant behandelt werden, wenn sich der Mikrokügelchen bewegt. Daher sind magnetische Pinzetten passive Kraftklemmen aufgrund der Art ihrer Konstruktion im Gegensatz zu optischen Pinzetten, obwohl sie auch als positive Klemmen verwendet werden können, wenn sie mit einer Rückkopplungsschleife kombiniert werden. Die Feldstärke kann erhöht werden, indem die Pole des Magneten geschärft wird, was jedoch auch den Bereich verringert, in dem das Feld als konstant angesehen werden kann. Ein Eisenringanschluss Die äußeren Pole der Magnete können dazu beitragen, Streufelder zu reduzieren. Magnetische Pinzetten können sowohl mit permanenten Magneten als auch mit Elektromagneten betrieben werden. Die beiden Techniken haben ihre spezifischen Vorteile.[3]

Permanentmagnete

Permanente Magnete magnetischer Pinzette sind normalerweise aus Seltenen erdmaterialien wie Neodym und kann Feldstärken von mehr als 1,3 Tesla erreichen.[5] Die Kraft auf den Perlen kann kontrolliert werden, indem die Magnete entlang der vertikalen Achse bewegt werden. Wenn Sie sie nach oben bewegen, wird die Feldstärke an der Position der Perle abgebaut und umgekehrt. Drehmomente an den Magnetperlen können ausgeübt werden, indem die Magnete um die vertikale Achse drehen, um die Richtung des Feldes zu ändern. Die Größe der Magnete liegt in der Größenordnung von Millimetern sowie in ihrem Abstand.[3]

Elektromagnetze

Die Verwendung von Elektromagneten in magnetischen Pinzetten hat den Vorteil, dass die Feldstärke und Richtung nur durch Einstellen der Amplitude und der Phase des Stroms für die Magnete geändert werden können. Aus diesem Grund müssen die Magnete nicht bewegt werden, was eine schnellere Steuerung des Systems ermöglicht und mechanische Rauschen reduziert. Um die maximale Feldstärke zu erhöhen, ist ein Kern eines weichen paramagnetischen Materials mit hoher Sättigung und niedrig Erinnerung kann dem Magnet hinzugefügt werden. In jedem Fall sind die typischen Feldstärken jedoch viel niedriger als bei permanenten Magneten mit vergleichbarer Größe. Darüber hinaus erfordert die Verwendung von Elektromagneten hohe Ströme, die Wärme erzeugen, die möglicherweise ein Kühlsystem erfordern.[1]

Perlenverfolgungssystem

Die Verschiebung der magnetischen Perlen entspricht der Reaktion des Systems auf das auferlegte Magnetfeld und muss daher genau gemessen werden Fokusebene eines Ziels, das unter der Tethering -Oberfläche platziert wird. Das Beugungsmuster wird dann von a aufgezeichnet CCD-Kamera. Das Bild kann in Echtzeit von einem Computer analysiert werden. Der Nachweis der Position in der Ebene der Tethering -Oberfläche ist nicht kompliziert, da sie der Mitte der Beugungsringe entspricht. Die Präzision kann bis zu einigen Nanometern sein. Für die Position entlang der vertikalen Achse muss das Beugungsmuster mit Referenzbildern verglichen werden, die das Beugungsmuster der betrachteten Perle in einer Reihe bekannter Abstände aus der Brennebene zeigen. Diese Kalibrierungsbilder werden erhalten, indem eine Perle festgehalten wird, während sie das Ziel verdrängt, d. H. Die Brennebene, mit Hilfe von piezoelektrischen Elementen durch bekannte Entfernungen. Mit Hilfe der Interpolation kann die Auflösung entlang dieser Achse eine Präzision von bis 10 nm erreichen.[6] Die erhaltenen Koordinaten können als Eingabe für eine digitale Rückkopplungsschleife verwendet werden, die beispielsweise die Magnetfeldstärke steuert, um die Perle an einer bestimmten Position zu halten.

Nichtmagnetische Perlen werden normalerweise auch zur Probe als Verweis hinzugefügt, um einen Hintergrundverschiebungsvektor bereitzustellen. Sie haben einen anderen Durchmesser als magnetische Perlen, so dass sie optisch unterscheidbar sind. Dies ist notwendig, um die potenzielle Drift der Flüssigkeit zu erkennen. Wenn beispielsweise die Dichte der magnetischen Partikel zu hoch ist, kann sie die umgebende viskose Flüssigkeit mit ihnen ziehen. Der Verschiebungsvektor einer magnetischen Perle kann durch Subtrahieren seines anfänglichen Positionsvektors und dieses Hintergrundverschiebungsvektors von seiner aktuellen Position bestimmt werden.

Kalibrierung erzwingen

Die Bestimmung der Kraft, die vom Magnetfeld auf den Magnetperlen ausgeübt wird, kann unter Berücksichtigung der thermischen Schwankungen der Perlen in der horizontalen Ebene berechnet werden: Das Problem ist rotationssymmetrisch in Bezug auf die vertikale Achse; Im Folgenden wird eine willkürlich ausgewählte Richtung in der Symmetrieebene genannt . Die Analyse ist für die Richtung orthogonal zur x-Richtung gleich und kann verwendet werden, um die Präzision zu erhöhen. Wenn die Perle seine Gleichgewichtsposition auf der -Axis von Aufgrund thermischer Schwankungen wird es einer restaurierenden Kraft ausgesetzt Das nimmt linear mit zu in der Annäherung erster Ordnung. Wenn man nur absolute Werte der beteiligten Vektoren berücksichtigt, ist geometrisch klar, dass die Proportionalitätskonstante die von den Magneten ausgeübte Kraft ist über die Länge des Moleküls, das die Perle an der Tethering -Oberfläche verankert:

Magnetic bead anchored to a surface by a molecule of length l. It is pulled up by a force F and if deviated horizontally by thermal fluctuations by delta x an additional restoring force F_r acts on the bead.
Geometrie der Kräfte, die auf die magnetische Perle wirken.

.

Das Equipartitionstheorem erklärt, dass die mittlere Energie, die in dieser "Frühling" gespeichert ist pro Grad der Freiheit. Da hier nur eine Richtung berücksichtigt wird, heißt es in der potenziellen Energie des Systems:. Daraus kann eine erste Schätzung für die auf die Perlen wirkende Kraft abgeleitet werden:

.

Für eine genauere Kalibrierung ist jedoch eine Analyse im Fourier -Raum erforderlich. Das Leistungsspektrumdichte der Position der Perle ist experimentell verfügbar. Ein theoretischer Ausdruck für dieses Spektrum wird im Folgenden abgeleitet, der dann an der experimentellen Kurve angepasst werden kann, um die von den Magneten auf der Perlen als Anpassungsparameter ausgeübte Kraft zu erhalten. Per Definition ist dieses Spektrum das Quadratmodul des Fourier-Transformation der Position über die spektrale Bandbreite :

kann unter Berücksichtigung der Bewegungsgleichung für eine Masseperle erhalten werden :

Der Begriff entspricht dem Stokes Reibungskraft für ein kugelförmiges Radiuspartikel in einem Medium Viskosität und ist die restaurierende Kraft, die der stochastischen Kraft entgegengesetzt ist Aufgrund der Brownschen Bewegung. Hier kann man den Trägheitsbegriff vernachlässigen , weil das System in einem Regime von sehr niedrig ist Reynolds Nummer .[1]

Die Bewegungsgleichung kann Fourier transformiert werden, um die treibende Kraft und die Position im Fourier -Raum einzufügen:

Dies führt zu:

.

Die Leistungsspektraldichte der stochastischen Kraft kann mit dem Equipartitionstheorem und der Tatsache abgeleitet werden, dass Brownsche Kollisionen völlig unkorreliert sind:[7]

Dies entspricht dem Schwankungsdissipationstheorem. Mit diesem Ausdruck ist es möglich, einen theoretischen Ausdruck für das Leistungsspektrum zu geben:

Das einzige Unbekannte in diesem Ausdruck, , kann durch Anpassung dieses Expression an das experimentelle Leistungsspektrum bestimmt werden. Um genauere Ergebnisse zu erzielen, kann der Effekt aufgrund der Finite -Kamera -Integrationszeit vom experimentellen Spektrum vor der Anpassung abziehen.[6]

Eine andere Kraftkalibrierungsmethode besteht darin, den viskosen Widerstand der Mikrokügelchen zu verwenden: Daher werden die Mikrokügelchen durch das viskose Medium gezogen, während sie ihre Position aufzeichnen. Da die Reynolds -Zahl für das System sehr niedrig ist, ist es möglich, Stokes Law anzuwenden, um die Reibungskraft im Gleichgewicht zu berechnen, wobei die von den Magneten ausgeübte Kraft ausgeübt wird:

.

Die Geschwindigkeit kann durch Verwendung der aufgezeichneten Geschwindigkeitswerte bestimmt werden. Die über diese Formel erhaltene Kraft kann dann mit einer bestimmten Konfiguration der Magnete zusammenhängen, die als Kalibrierung dienen kann.[8]

Typische experimentelle Einrichtung

Three schematic torsion-extension curves of a DNA molecule at different stretching forces. For the lowest force, the extension shrinks for both, positive and negative torsion and the curve is symmetric for the positive and negative torsion branch. For intermediate forces, the extension diminishes only for positive turns and for the highest forces it stays constant. The number of turns is in the order of hundreds, and the extension is typically in the order of micrometers.
Schematische Torsionsverlängerungskurven von DNA bei verschiedenen Kräften im Pico Newton -Bereich.

Dieser Abschnitt gibt ein Beispiel für ein von Strick, Allemand, Croquette durchgeführter Experiment an[9] Mit Hilfe magnetischer Pinzette. Ein doppelsträngiges DNA-Molekül ist mit mehreren Bindungsstellen an einem Ende an einer Glasoberfläche und an der anderen an eine magnetische Mikroperle fixiert, die in einem magnetischen Pinzettenapparat manipuliert werden kann. Durch das Drehen der Magnete kann die Torsionsspannung auf das DNA -Molekül angewendet werden. Rotationen im Sinne der DNA -Helix werden positiv und umgekehrt gezählt. Während des Drehens ermöglichen die magnetischen Pinzetten auch das DNA -Molekül. Auf diese Weise können Torsionserweiterungskurven bei verschiedenen Streckkräften aufgezeichnet werden. Bei niedrigen Kräften (weniger als etwa 0,5 pn) bildet die DNA Supercoils, so genannte Plektoneme, die die Ausdehnung des DNA -Moleküls für positive und negative Wendungen recht symmetrisch verringern. Die Erweiterung der Ziehkraft erhöht bereits die Verlängerung für Null -vorgeschriebene Torsion. Positive Wendungen führen erneut zu der Bildung von Plektonemen, die die Erweiterung verringern. Negative Wendung verändert jedoch nicht die Ausdehnung des DNA -Moleküls. Dies kann als Trennung der beiden Stränge interpretiert werden, was dem entspricht Denaturierung des Moleküls. Im Bereich der hohen Kraft ist die Erweiterung nahezu unabhängig von der angelegten Torsionsstress. Die Interpretation ist die Erscheinung lokaler Regionen mit stark überwundener DNA. Ein wichtiger Parameter dieses Experiments ist auch die Ionenstärke der Lösung, die die kritischen Werte der angelegten Ziehkraft beeinflusst, die die drei Kraftregime trennen.[9]

Geschichte und Entwicklung

Crick an der Cambridge University

Die Anwendung der Magnettheorie auf die Studie der Biologie ist eine biophysikalische Technik, die Anfang der 1920er Jahre in Deutschland erschien. Möglicherweise wurde die erste Demonstration 1922 von Alfred Heilbronn veröffentlicht. Seine Arbeit sah an Viskosität von Protoplasten.[10] Im folgenden Jahr erkundeten Freundlich und Seifriz Rheologie in Echinoderm Eier. Beide Studien umfassten das Einsetzen von Magnetpartikeln in Zellen und resultierende Bewegungsbeobachtungen in a Magnetfeld Gradient.[11]

Dr. fiel in den 1950er Jahren in ihr Labor in Cambridge

1949 an der Cambridge University, Francis Crick und Arthur Hughes zeigte eine neuartige Verwendung der Technik, die sie als "Magnetpartikelmethode" bezeichnete. Die Idee, die ursprünglich von Dr. kam Ehre fielwar diese winzigen magnetischen Perlen, Phagozytoziert Durch ganze in Kultur gezüchtete Zellen konnte die Gewebekultur in Gegenwart des magnetischen Materials wachsen lassen, und Zellen, die ein Magnetpartikel enthielten, konnten mit einem Hochleistungsmikroskop beobachtet werden. Da das Magnetteilchen durch ein Magnetfeld durch die Zelle bewegt wurde, messen die physikalischen Eigenschaften der Zytoplasma wurden gemacht.[12] Obwohl einige ihrer Methoden und Messungen selbstverständlich grob waren, zeigte ihre Arbeit die Nützlichkeit der Manipulation der Magnetfeldpartikel und ebnete den Weg für weitere Entwicklungen dieser Technik. Die Phagozytose -Methode der Magnetpartikel wurde seit vielen Jahren weiterhin verwendet, um das Zytoplasma zu erforschen Rheologie und andere physikalische Eigenschaften in ganzen Zellen.[13][14]

Eine Innovation in den neunziger Jahren führte zu einer Ausweitung der Nützlichkeit der Technik auf eine Weise, die dem damals Emerging ähnlich war Optische Pinzettenmethode. Chemisch mit einer Individuum verbinden DNA -Molekül Zwischen einer magnetischen Perle und einer Glasrutsche konnten Forscher ein einzelnes DNA -Molekül mit einem externen Magnetfeld manipulieren. Bei Anwendung von Torsionskräfte Zum Molekül könnten Abweichungen von der Freiformbewegung an theoretischen Standard-Kraftkurven gemessen werden oder Brownsche Bewegung Analyse. Dies lieferte Einblick in strukturelle und mechanische Eigenschaften von DNA, wie zum Beispiel Elastizität.[15][16]

Magnetische Pinzetten als experimentelle Technik sind außergewöhnlich vielfältig in der Verwendung und Anwendung geworden. In jüngerer Zeit wurde die Einführung noch neuartiger Methoden entdeckt oder vorgeschlagen. Seit 2002 wurde das Potenzial für Experimente mit vielen Anbindungsmolekülen und parallelen magnetischen Perlen untersucht, was Licht auf die Wechselwirkungsmechanik abgibt, insbesondere im Fall von DNA-bindende Proteine.[17] 2005 wurde eine Technik veröffentlicht, bei der eine Magnetperle mit a bedeckt war Molekularrezeptor und das Glasrutschen mit seinem Ligand. Dies ermöglicht einen einzigartigen Blick auf die Rezeptor-Ligand-Dissoziationskraft.[18] Im Jahr 2007 wurde von Kollmannsberger und Fabry eine neue Methode zur magnetisch manipulierten ganzen Zellen entwickelt. Die Technik besteht darin, Perlen an der zu befestigen Extrazelluläre Matrix und manipulieren die Zelle von außen der Membran, um die Strukturelastizität zu untersuchen.[11] Diese Methode wird weiterhin als Studienmittel verwendet Rheologiesowie zellulär Strukturproteine.[19] In einem 2013 erschien eine Studie, in der magnetische Pinzetten verwendet wurden, um das Abwickeln und Rückspulen eines einzelnen Neuronals mechanisch zu messen SCHLINGE Komplex, indem der gesamte Komplex zwischen einer magnetischen Perle und dem Objektträger gebunden ist und dann die angelegte Magnetfeldkraft verwendet, um den Komplex auseinander zu ziehen.[20]

Biologische Anwendungen

Magnetische Pinzette Rheologie

Magnetische Pinzetten können verwendet werden, um mechanische Eigenschaften wie z. Rheologie, die Untersuchung des Materieflusses und der Elastizität in ganzen Zellen. Das Phagozytose Die zuvor beschriebene Methode ist nützlich, um eine magnetische Perle in einer Zelle zu erfassen. Die Messung der Bewegung der Perlen in der Zelle als Reaktion auf die Manipulation aus dem externen Magnetfeld liefert Informationen über die physikalische Umgebung innerhalb der Zell- und interne Medien -Rheologie: Viskosität des Zytoplasmas, Steifigkeit der internen Struktur und einfacher Partikelfluss.[12][13][14]

Eine ganze Zelle kann auch magnetisch manipuliert werden, indem eine magnetische Perle an die angeboten wird Extrazelluläre Matrix über Fibronektin-Gabschichtete Magnetkügelchen. Fibronektin ist ein Protein, das an extrazelluläre Bindung bindet Membranproteine. Diese Technik ermöglicht Messungen der Zellsteifheit und liefert Einblicke in die Funktionsweise von Strukturproteinen.[11] Das rechts gezeigte Schema zeigt das von Bonakdar und Schilling et al. (2015)[19] zur Untersuchung des strukturellen Proteins Plektin in Mauszellen. Die Steifheit wurde als Reaktion auf externe magnetische Manipulation als proportional zur Perlenposition gemessen.

Einzelmolekülexperimente

Magnetische Pinzette als Einzelmolekülmethode ist ausgesprochen die häufigste Verwendung in den letzten Jahren. Durch die Einzelmolekülmethode bieten molekulare Pinzetten einen engen Blick auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von biologisch Makromoleküle. Ähnlich wie bei anderen Einzelmolekülmethoden wie z. Optische PinzettenDiese Methode bietet eine Möglichkeit, ein einzelnes Molekül zu isolieren und zu manipulieren, das frei von den Einflüssen der umgebenden Moleküle ist.[17] Hier ist die magnetische Perle durch das interessierende Molekül an einer Tethering -Oberfläche gebunden. DNA oder RNA können entweder in einsträngiger oder doppelsträngiger Form gebunden werden, oder ganze Strukturmotive können gebunden werden, wie z. DNA Holliday Junctions, DNA -Haarnadeln, oder ganz Nukleosomen und Chromatin. Durch das Einwirken der Magnetkügelchen mit dem Magnetfeld verschiedene Arten von Torsionskraft kann angewendet werden, um Intra-DNA-Wechselwirkungen zu untersuchen,[21] sowie Interaktionen mit Topoisomerasen oder Histone in Chromosomen .[17]

Einzelkomplexstudien

Magnetische Pinzetten gehen über die Fähigkeiten anderer Einzelmolekülmethoden hinaus, da auch Wechselwirkungen zwischen und innerhalb von Komplexen beobachtet werden können. Dies hat die jüngsten Fortschritte ermöglicht, um mehr darüber zu verstehen DNA-bindende ProteineRezeptor-Ligand-Wechselwirkungen,[18] und Restriktionsenzymspaltung.[17] Eine neuere Anwendung magnetischer Pinzette ist in Einzelkomplexstudien zu sehen. Mit Hilfe von DNA als Tethering -Mittel kann ein ganzer molekularer Komplex zwischen der Perle und der Tethering -Oberfläche befestigt werden. Genauso wie beim Ziehen einer DNA -Haarnadel durch Auftragen einer Kraft auf die Magnetperle kann ein ganzer Komplex auseinander gezogen werden und für die Dissoziation erforderlich ist, kann gemessen werden.[20] Dies ähnelt auch der Methode, Rezeptor-Liganden-Wechselwirkungen mit magnetischen Pinzetten zu zerlegen, um die Dissoziationskraft zu messen.[18]

Vergleich mit anderen Techniken

Dieser Abschnitt vergleicht die Merkmale magnetischer Pinzette mit denen der wichtigsten experimentellen Methoden mit Einzelmolekülen: Optische Pinzetten und Rasterkraftmikroskopie. Die magnetische Wechselwirkung ist sehr spezifisch für die verwendeten superparamagnetischen Mikrokügelchen. Das Magnetfeld wirkt sich praktisch nicht auf die Probe aus. Optische Pinzetten haben das Problem, dass der Laserstrahl aufgrund von Kontrasten in der Brechungsindex. Darüber hinaus kann der Laser Fotodamagen und Probenerwärmung verursachen. Bei Atomkraftmikroskopie kann es auch schwierig sein, die Wechselwirkung der Spitze mit dem untersuchten Molekül von anderen unspezifischen Wechselwirkungen zu unterscheiden.

Dank der Steifheit mit niedriger Falle ist der mit magnetische Pinzetten zugängliche Kräfte im Vergleich zu den beiden anderen Techniken niedriger. Die Möglichkeit, mit magnetischen Pinzetten das Drehmoment auszuüben doppelbrechend Mikrokügelchen in Kombination mit einem kreisförmigen polarisierten Laserstrahl.

Ein weiterer Vorteil von magnetischen Pinzetten besteht darin, dass es einfach ist, viele einzelne Molekülmessungen parallel durchzuführen.

Ein wichtiger Nachteil der magnetischen Pinzetten ist die niedrige zeitliche und räumliche Auflösung aufgrund der Datenerfassung über Video-Mikroskopie.[3] Bei der Zugabe einer Hochgeschwindigkeitskamera wurde jedoch gezeigt, dass die zeitliche und räumliche Auflösung die Angstrom-Ebene erreicht.[22]

Verweise

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