Pinzas magnéticas de alta velocidad para mediciones nanomecánicas en elementos sensibles a la fuerza

Las células detectan y responden activamente a estímulos mecánicos. Al hacerlo, muchas biomoléculas muestran propiedades dependientes de la fuerza que permiten cambios estructurales dinámicos. Ejemplos bien apreciados incluyen canales iónicos mecanosensibles y elementos citoesqueléticos que proporcionan a las células información mecánica clave de su entorno.

Además, las moléculas que muestran una naturaleza única de soporte de fuerza también pueden considerarse mecanosensibles en un sentido más amplio. Por ejemplo, la formación local y la fusión de dúplex de ácidos nucleicos, así como estructuras de orden superior como los cuádruples G, desempeñan un papel crucial en la replicación, transcripción, recombinación y, más recientemente, en la edición del genoma. Además, algunas proteínas neuronales implicadas en las comunicaciones sinápticas realizan sus funciones generando fuerzas físicas que superan los niveles de interacciones intermoleculares típicas. No importa qué ejemplo se estudie, la investigación de la nanomecánica de las biomoléculas involucradas con alta precisión espaciotemporal resultará muy útil para revelar los mecanismos moleculares de los procesos mecanobiológicos asociados ^1,2,3.

Los métodos de espectroscopia de fuerza de molécula única han servido como herramientas poderosas para examinar las propiedades mecánicas de las biomoléculas 2,4,5,6. Pueden monitorear los cambios estructurales en ácidos nucleicos y proteínas simultáneamente con la aplicación de fuerza, examinando así las propiedades dependientes de la fuerza. Dos configuraciones bien conocidas son las pinzas ópticas y las pinzas magnéticas (MT), que emplean perlas de tamaño micrométrico para manipular moléculas 5,6,7,8. En estas plataformas, el poliestireno (para pinzas ópticas) o las perlas magnéticas (para MT) están atados a moléculas objetivo (por ejemplo, ácidos nucleicos y proteínas) a través de “mangos” moleculares, típicamente hechos de fragmentos cortos de ADN bicatenario (dsDNA). Luego, las perlas se mueven para ejercer fuerza y se obtienen imágenes para rastrear sus ubicaciones que informan sobre cambios estructurales en las moléculas objetivo. Las pinzas ópticas y magnéticas son en gran medida intercambiables en sus aplicaciones, pero existen diferencias importantes en sus enfoques para controlar la fuerza. Las pinzas ópticas son instrumentos intrínsecamente de abrazadera de posición que atrapan cuentas en posición, debido a lo cual la fuerza aplicada fluctúa cuando una construcción objetivo sufre cambios de forma; El aumento de extensión, como el despliegue, afloja la correa y reduce la tensión, y viceversa. Aunque se puede implementar retroalimentación activa para controlar la fuerza en las pinzas ópticas, las MT, en contraste, operan naturalmente como un dispositivo de abrazadera de fuerza, aprovechando las fuerzas magnéticas estables y de campo lejano mediante imanes permanentes, que también pueden soportar perturbaciones ambientales.

A pesar de su larga historia y diseño simple, los MT se han quedado atrás de las pinzas ópticas en sus aplicaciones a mediciones de alta precisión, en gran parte debido a los desafíos técnicos en el seguimiento rápido de cuentas. Recientemente, sin embargo, varios grupos han liderado conjuntamente una mejora multifacética de hardware y software para instrumentos de MT 2,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 . En este trabajo, presentamos un ejemplo de tal configuración que se ejecuta a 1.2 kHz y describimos cómo usarla para realizar mediciones nanomecánicas en biomoléculas sensibles a la fuerza. Como sistemas modelo, empleamos horquillas de ADN y complejos SNARE neuronales y examinamos sus rápidos cambios estructurales en el régimen de piconewton. Las horquillas de ADN exhiben transiciones simples de dos estados en un rango de fuerza bien definido^20,21 y, por lo tanto^, sirven como modelos de juguete para verificar el rendimiento de una configuración de pinzas. A medida que las proteínas SNARE se ensamblan en un complejo sensible a la fuerza que impulsa la fusión de membrana²², también han sido ampliamente estudiadas por espectroscopia de fuerza de molécula única 14,23,24,25. Se presentan enfoques estándar para analizar datos y extraer información útil sobre termodinámica y cinética. Esperamos que este artículo pueda facilitar la adopción de MT de alta precisión en estudios mecanobiológicos y motivar a los lectores a explorar sus propios sistemas de interés sensibles a la fuerza.