Силовая спектроскопия

Силовая спектроскопия представляет собой набор методов для изучения взаимодействий одиночных молекул.^[1][2] Эти методы можно использовать для измерения механических свойств полимерных молекул (нуклеиновых кислот, белков) или отдельных химических связей . Название «силовая спектроскопия» может несколько вводить в заблуждение, поскольку истинного взаимодействия материи и излучения не существует.^[3]

Силовая спектроскопия включает такие методы как атомно-силовая микроскопия,^[2] оптический пинцет,^[4] магнитный пинцет, акустическая силовая спектроскопию,^[5] микроиглы,^[6] и биомембраны.^[7]

Силовая спектроскопия отслеживает поведение молекулы под действием приложенной силы. С помощью силовой спектроскопии в последние годы были получены новые знания о свойствах ферментов, ответственных за сокращение мышц, транспорт в клетке, выработку энергии (F1-АТФаза), репликацию и транскрипцию ДНК (полимеразы), расплетание и раскручивание ДНК. топоизомеразы и хеликазы).

Подходы силовой спектроскопии позволяют исследователю определять свойства конкретной изучаемой молекулы. В частности, могут наблюдаться редкие события, например конформационные изменения, которые не могут быть заргестрированы при проведенних ансамблевых измерений.

Есть довольно большое число способов точно манипулировать одиночными молекулами. Среди них выделяются оптический и магнитный пинцеты, кантилеверы атомно-силового микроскопа (АСМ) и акустическая силовая сппектроскопия. Во всех этих методах биомолекула, такая как белок, ДНК или какой-либо другой биополимер, одним концом связана с поверхностью (или микросферой), а другим — с датчиком силы. Датчик силы обычно представляет собой шарик микрометрового размера или кантилевер, по смещению которого можно определить величину силы.

Недавно разработанный метод акустической силовой спектроскопии (АСС) позволяет воздействовать на сотни одиночных молекул одновременно, что обеспечивает высокую экспериментальную производительность в сравнении например с оптическим пинцетом.^[5] Воздействие на молекулы производится засчет пьезоэлемента, расположенного над микрофлюидным чипом, который резонансно возбуждает плоские акустические волны . Генерируемые акустические волны способны воздействовать на микросферы, к которым присоединены различные биомолекулы, такие как ДНК, РНК или белки. Анализ данных производится по смещению микросфер. С помощью устройств AFS можно прикладывать силы в диапазоне от 0 до нескольких сотен пикоНьютонов к сотням микросфер, что в теории обеспечивает быстрой набор экспериментальных данных.

Этот метод в основном используется для изучения ДНК-связывающих белков. Например, АСС использовалась для изучения бактериальной транскрипции в присутствии антибактериальных агентов.^[8][9] Вирусные белки также можно исследовать с помощью АСС, например, этот метод использовался для изучения уплотнения ДНК наряду с другими одномолекулярными подходами, .^[10]

Клетками также можно манипулировать с помощью акустических сил напрямую или с помощью микросфер в качестве ручек.^[11]

Обычно силовая спектроскопия применяется для измерения эластичности полимеров, особенно таких биополимеров, как РНК и ДНК .^[12] Другое биофизическое применение силовой спектроскопии связано с изучением анфолдинга белка .^[13]

Более того, силовую спектроскопию можно использовать для исследования ферментативной активности белков, участвующих в репликации, транскрипции, организации и репарации ДНК. Это достигается путем измерения положения шарика, прикрепленного к комплексу ДНК-белок, передвигающегося по нити ДНК, один конец которой прикреплен к поверхности . Этот метод использовался, например, для изучения ингибирования элонгации транскрипции клебсидином и ацинетодином.^[14]