High-speed magnetisch pincet voor nanomechanische metingen aan krachtgevoelige elementen

Cellen voelen en reageren actief op mechanische prikkels. Daarbij vertonen veel biomoleculen krachtafhankelijke eigenschappen die dynamische structurele veranderingen mogelijk maken. Bekende voorbeelden zijn mechanosensitieve ionkanalen en cytoskeletelementen die de cellen voorzien van belangrijke mechanische informatie uit hun omgeving.

Daarnaast kunnen moleculen die een unieke krachtdragende aard vertonen ook in bredere zin als mechanosensitief worden beschouwd. Lokale vorming en smelten van nucleïnezuurduplexen, evenals hogere-ordestructuren zoals G-quadruplexen, spelen bijvoorbeeld een cruciale rol bij replicatie, transcriptie, recombinatie en meer recent genoombewerking. Bovendien voeren sommige neuronale eiwitten die betrokken zijn bij synaptische communicatie hun functies uit door fysieke krachten te genereren die de niveaus van typische intermoleculaire interacties overschrijden. Het maakt niet uit welk voorbeeld men bestudeert, het onderzoeken van nanomechanica van de betrokken biomoleculen met hoge spatiotemporale precisie zal zeer nuttig blijken te zijn bij het onthullen van moleculaire mechanismen van de bijbehorende mechanobiologische processen ^1,2,3.

Single-molecule krachtspectroscopiemethoden hebben gediend als krachtige hulpmiddelen om de mechanische eigenschappen van biomoleculen 2,4,5,6 te onderzoeken. Ze kunnen structurele veranderingen in nucleïnezuren en eiwitten gelijktijdig met de toepassing van kracht volgen, waardoor krachtafhankelijke eigenschappen worden onderzocht. Twee bekende opstellingen zijn optische pincetten en magnetische pincetten (MT’s), die kralen ter grootte van een micron gebruiken om moleculen 5,6,7,8 te manipuleren. In deze platforms worden polystyreen (voor optische pincetten) of magnetische kralen (voor MT’s) vastgebonden aan doelmoleculen (bijv. Nucleïnezuren en eiwitten) via moleculaire “handvatten”, meestal gemaakt van korte fragmenten van dubbelstrengs DNA (dsDNA). De kralen worden vervolgens verplaatst om kracht uit te oefenen en in beeld gebracht om hun locaties te volgen die rapporteren over structurele veranderingen in doelmoleculen. Optische en magnetische pincetten zijn grotendeels uitwisselbaar in hun toepassingen, maar er zijn belangrijke verschillen in hun benaderingen van het regelen van kracht. Optische pincetten zijn intrinsiek positiekleminstrumenten die kralen in positie vangen, waardoor de uitgeoefende kracht fluctueert wanneer een doelconstructie vormveranderingen ondergaat; Extensieverhoging, zoals door het uitvouwen, maakt de tether los en vermindert de spanning, en vice versa. Hoewel actieve feedback kan worden geïmplementeerd om de kracht in optische pincetten te regelen, werken MT’s daarentegen van nature als een krachtklemapparaat, waarbij gebruik wordt gemaakt van stabiele, verafgelegen magnetische krachten door permanente magneten, die ook bestand zijn tegen omgevingsverstoring.

Ondanks hun lange geschiedenis en eenvoudige ontwerp zijn MT’s achtergebleven bij optische pincetten in hun toepassingen voor zeer nauwkeurige metingen, grotendeels vanwege technische uitdagingen bij het volgen van snelle kralen. Onlangs hebben verschillende groepen echter gezamenlijk leiding gegeven aan een veelzijdige verbetering van zowel hardware als software voor MT-instrumenten 2,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 . In dit werk introduceren we een voorbeeld van een dergelijke opstelling die op 1,2 kHz draait en beschrijven we hoe deze kan worden gebruikt om nanomechanische metingen uit te voeren op krachtgevoelige biomoleculen. Als modelsystemen gebruiken we DNA-haarspelden en neuronale SNARE-complexen en onderzoeken we hun snelle, structurele veranderingen in het piconewton-regime. DNA-haarspelden vertonen eenvoudige tweetoestandsovergangen in een goed gedefinieerd krachtbereik van^20,21 en dienen daarom als speelgoedmodellen om de prestaties van een pincetopstelling te verifiëren. Terwijl de SNARE-eiwitten zich samenvoegen tot een krachtgevoelig complex dat membraanfusie²² aandrijft, zijn ze ook uitgebreid bestudeerd door krachtspectroscopie met één molecuul 14,23,24,25. Standaardbenaderingen voor het analyseren van gegevens en het extraheren van nuttige informatie over thermodynamica en kinetiek worden gepresenteerd. We hopen dat dit artikel de toepassing van zeer nauwkeurige MT’s in mechanobiologische studies kan vergemakkelijken en lezers kan motiveren om hun eigen krachtgevoelige interessesystemen te verkennen.