力に敏感な素子のナノメカニカル測定のための高速磁気ピンセット

細胞は機械的刺激を積極的に感知し、反応します。そうすることで、多くの生体分子は力に依存する特性を示し、動的な構造変化を可能にします。よく知られている例としては、機械感受性イオンチャネルや細胞骨格要素があり、周囲の環境から細胞に重要な機械的情報を提供します。

また、独特の力を持つ性質を示す分子も、より広い意味で機械感受性と見なすことができます。例えば、核酸二本鎖の局所的な形成と融解、およびG-quadruplexなどの高次構造は、複製、転写、組換え、そして最近ではゲノム編集において重要な役割を果たします。さらに、シナプスコミュニケーションに関与するいくつかのニューロンタンパク質は、典型的な分子間相互作用のレベルを超える物理的な力を生成することによってそれらの機能を果たす。いずれの例を用いても、関与する生体分子のナノメカニクスを高い時空間精度で調べることは、関連するメカノバイオロジカルプロセスの分子メカニズムを明らかにする上で非常に有用であることがわかります^1,2,3。

単一分子力分光法は、生体分子の機械的特性を調べるための強力なツールとして役立っています2,4,5,6。核酸やタンパク質の構造変化を力を加えると同時にモニタリングし、力依存性を調べることができます。よく知られている2つのセットアップは、光ピンセットと磁気ピンセット(MT)で、ミクロンサイズのビーズを使用して分子を操作します5,6,7,8。これらのプラットフォームでは、ポリスチレン(光ピンセット用)または磁気ビーズ(MT用)は、通常は二本鎖DNA(dsDNA)の短い断片でできている分子「ハンドル」を介して標的分子(核酸やタンパク質など)につながれています。次に、ビーズを動かして力を加え、画像化して、標的分子の構造変化を報告するビーズの位置を追跡します。光ピンセットと磁気ピンセットは、その用途ではほぼ互換性がありますが、力を制御するためのアプローチには重要な違いがあります。光ピンセットは、ビーズを所定の位置にトラップする本質的に位置クランプ装置であり、ターゲット構造の形状が変化すると、加えられる力が変動します。展開などによる伸展の増加は、テザーを緩めて張力を低下させ、逆もまた同様です。光ピンセットの力を制御するためにアクティブフィードバックを実装することができますが、MTは自然にフォースクランプデバイスとして動作し、永久磁石による安定した遠方界磁力を利用して、環境の摂動にも耐えることができます。

MTは、その長い歴史とシンプルな設計にもかかわらず、主に高速ビードトラッキングの技術的課題のために、高精度測定へのアプリケーションにおいて光ピンセットに遅れをとっています。しかし、最近では、いくつかのグループが共同でMT機器のハードウェアとソフトウェアの両方の多面的な改善を主導しています2,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 .本研究では、1.2kHzで動作するこのようなセットアップの例を紹介し、それを使用して力に敏感な生体分子のナノメカニカル測定を実行する方法について説明します。モデルシステムとして、DNAヘアピンと神経細胞SNARE複合体を用いて、ピコニュートンレジームにおけるそれらの速い構造変化を調べます。DNAヘアピンは、明確に定義された力範囲^20,21で単純な2状態遷移を示すため、ピンセットセットアップの性能を検証するためのおもちゃモデルとして機能します。SNAREタンパク質は、膜融合22を駆動する力に敏感な複合体に集合するため、単一分子力分光法14、²³、^24、25によっても広く研究されています。データを分析し、熱力学と動力学に関する有用な情報を抽出するための標準的なアプローチが提示されています。この記事が、メカノバイオロジー研究における高精度MTの採用を促進し、読者が関心のある独自の力に敏感なシステムを探求するように動機付けることを願っています。