Отслеживание одной частицы
Отслеживание одиночных частиц ( SPT ) — это наблюдение движения отдельных частиц внутри среды. Временной ряд координат, который может быть либо в двух измерениях ( x , y ), либо в трех измерениях ( x , y , z ), называется траекторией . Траектория обычно анализируется с использованием статистических методов для извлечения информации об основной динамике частицы. [1] [2] [3] Эта динамика может раскрыть информацию о типе наблюдаемого транспорта (например, тепловом или активном), среде, в которой движется частица, и взаимодействиях с другими частицами. В случае случайного движения траекторный анализ можно использовать для измерения коэффициента диффузии .
Приложения
[ редактировать ]В науках о жизни отслеживание одиночных частиц широко используется для количественной оценки динамики молекул/белков в живых клетках (бактериях, дрожжах, клетках млекопитающих и живых дрозофилы ). эмбрионах [4] [5] [6] [7] [8] Он широко использовался для изучения динамики транскрипционных факторов в живых клетках. [9] [10] [11] Этот метод широко использовался в последнее десятилетие для понимания механизма поиска белков в живых клетках. Он затрагивает фундаментальные биологические вопросы, например, как интересующий белок находит свою цель в сложной клеточной среде? сколько времени требуется, чтобы найти целевой сайт для связывания? каково время пребывания белков, связывающихся с ДНК? [5] Недавно SPT был использован для изучения кинетики трансляции и процессинга белков in vivo. Для молекул, которые связывают большие структуры, такие как рибосомы, SPT можно использовать для извлечения информации о кинетике связывания. Поскольку связывание рибосомы увеличивает эффективный размер меньшей молекулы, скорость диффузии при связывании снижается. Мониторинг этих изменений в диффузионном поведении позволяет получить прямые измерения событий связывания. [12] [13] Кроме того, экзогенные частицы используются в качестве зондов для оценки механических свойств среды — метод, известный как пассивная микрореология . [14] Этот метод был применен для исследования движения липидов и белков внутри мембран. [15] [16] молекулы в ядре [8] и цитоплазма, [17] органеллы и молекулы в них, [18] липидные гранулы, [19] [20] [21] везикулы и частицы, внедренные в цитоплазму или ядро. Кроме того, отслеживание одиночных частиц широко использовалось при изучении восстановленных липидных бислоев. [22] прерывистая диффузия между 3D и любым 2D (например, мембрана) [23] или 1D (например, ДНК-полимер) фазы и синтетические запутанные актиновые сети. [24] [25]
Методы
[ редактировать ]Наиболее распространенный тип частиц, используемый для отслеживания одиночных частиц, основан либо на рассеивателях , таких как полистироловые шарики или наночастицы золота , которые можно отслеживать с помощью яркого поля освещения, либо на флуоресцентных частицах. Для флуоресцентных меток существует множество различных вариантов со своими преимуществами и недостатками, включая квантовые точки , флуоресцентные белки , органические флуорофоры и цианиновые красители.
На фундаментальном уровне после получения изображений отслеживание одной частицы представляет собой двухэтапный процесс. Сначала обнаруживаются частицы, а затем локализованные разные частицы соединяются для получения индивидуальных траекторий.
Помимо отслеживания частиц в 2D, существует несколько методов визуализации для отслеживания частиц в 3D, включая микроскопию в мультифокальной плоскости , [26] микроскопия функции рассеяния точки двойной спирали, [27] и введение астигматизма с помощью цилиндрической линзы или адаптивной оптики.
Броуновская диффузия
[ редактировать ]См. также
[ редактировать ]- Броуновское движение
- Диффузия
- Микрореология
- Анализ отслеживания наночастиц
- Одномолекулярный эксперимент
- Траектория одиночной частицы
- Движение связанных частиц
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мецлер, Ральф; Чон, Джэ-Хён; Черствий, Андрей Георгиевич; Баркай, Эли (2014). «Модели аномальной диффузии и их свойства: нестационарность, неэргодичность и старение к столетию отслеживания одиночных частиц» . Физ. хим. хим. Физ . 16 (44): 24128–24164. Бибкод : 2014PCCP...1624128M . дои : 10.1039/c4cp03465a . ISSN 1463-9076 . ПМИД 25297814 .
- ^ Манзо, Карло; Гарсия-Парахо, Мария Ф (29 октября 2015 г.). «Обзор прогресса в отслеживании одиночных частиц: от методов к биофизическим открытиям». Отчеты о прогрессе в физике . 78 (12): 124601. Бибкод : 2015РППх...78л4601М . дои : 10.1088/0034-4885/78/12/124601 . ISSN 0034-4885 . ПМИД 26511974 . S2CID 25691993 .
- ^ Энтони, Стивен; Чжан, Лянфан; Граник, Стив (2006). «Методы отслеживания траекторий одиночных молекул». Ленгмюр . 22 (12): 5266–5272. дои : 10.1021/la060244i . ISSN 0743-7463 . ПМИД 16732651 .
- ^ Хёфлинг, Феликс; Франош, Томас (12 марта 2013 г.). «Аномальный транспорт в многолюдном мире биологических клеток». Отчеты о прогрессе в физике . 76 (4): 046602. arXiv : 1301.6990 . Бибкод : 2013RPPH...76d6602H . дои : 10.1088/0034-4885/76/4/046602 . ISSN 0034-4885 . ПМИД 23481518 . S2CID 40921598 .
- ^ Перейти обратно: а б Подх, Нитеш Кумар; Паливал, Шиталь; Дей, Парта; Дас, Аян; Морджария, Шрути; Мехта, Гунджан (5 ноября 2021 г.). «Визуализация одиночных молекул in vivo на дрожжах: применение и проблемы». Журнал молекулярной биологии . 433 (22): 167250. doi : 10.1016/j.jmb.2021.167250 . ПМИД 34537238 . S2CID 237573437 .
- ^ Баркай, Эли; Гарини, Юваль; Мецлер, Ральф (2012). «Странная кинетика одиночных молекул в живых клетках». Физика сегодня . 65 (8): 29–35. Бибкод : 2012ФТ....65ч..29Б . дои : 10.1063/pt.3.1677 . ISSN 0031-9228 .
- ^ Мир, Мустафа; Реймер, Армандо; Стадлер, Майкл; Тангара, Асту; Хансен, Андерс С.; Хоккемейер, Дирк; Эйзен, Майкл Б.; Гарсия, Эрнан; Дарзак, Ксавье (2018), Любченко, Юрий Л. (редактор), «Визуализация одиночных молекул в живых эмбрионах с использованием решетчатой световой микроскопии», Наномасштабная визуализация: методы и протоколы , Методы молекулярной биологии, том. 1814, Нью-Йорк: Springer, стр. 541–559, doi : 10.1007/978-1-4939-8591-3_32 , ISBN. 978-1-4939-8591-3 , PMC 6225527 , PMID 29956254
- ^ Перейти обратно: а б Болл, Дэвид А.; Мехта, Гунджан Д.; Саломон-Кент, Ронит; Мацца, Давиде; Морисаки, Тацуя; Мюллер, Флориан; МакНелли, Джеймс Г.; Карпова, Татьяна С. (декабрь 2016 г.). «Отслеживание одной молекулы Ace1p в Saccharomyces cerevisiae определяет характерное время пребывания неспецифических взаимодействий факторов транскрипции с хроматином» . Исследования нуклеиновых кислот . 44 (21): е160. дои : 10.1093/nar/gkw744 . ISSN 0305-1048 . ПМК 5137432 . ПМИД 27566148 .
- ^ Мехта, Гунджан Д.; Болл, Дэвид А.; Эрикссон, Питер Р.; Череджи, Разван В.; Кларк, Дэвид Дж.; МакНелли, Джеймс Г.; Карпова, Татьяна С. (06 декабря 2018 г.). «Анализ одиночных молекул показывает связанные циклы ремоделирования хроматина RSC и связывания фактора транскрипции Ace1p у дрожжей» . Молекулярная клетка . 72 (5): 875–887.e9. дои : 10.1016/j.molcel.2018.09.009 . ISSN 1097-2765 . ПМК 6289719 . ПМИД 30318444 .
- ^ Морисаки, Тацуя; Мюллер, Вальтрауд Г.; Голоб, Николь; Мацца, Давиде; МакНелли, Джеймс Г. (18 июля 2014 г.). «Одномолекулярный анализ связывания транскрипционных факторов в сайтах транскрипции в живых клетках» . Природные коммуникации . 5 (1): 4456. Бибкод : 2014NatCo...5.4456M . дои : 10.1038/ncomms5456 . ISSN 2041-1723 . ПМК 4144071 . ПМИД 25034201 .
- ^ Пресман, Диего М.; Болл, Дэвид А.; Паакинахо, Вилле; Гримм, Джонатан Б.; Лавис, Люк Д.; Карпова Татьяна С.; Хагер, Гордон Л. (01 июля 2017 г.). «Количественная оценка динамики связывания транскрипционных факторов на уровне одиночных молекул в живых клетках» . Методы . 4D Нуклеом. 123 : 76–88. дои : 10.1016/j.ymeth.2017.03.014 . hdl : 11336/64420 . ISSN 1046-2023 . ПМЦ 5522764 . ПМИД 28315485 .
- ^ Волков Иван Л.; Линден, Мартин; Агирре Ривера, Хавьер; Йонг, Ка-Венг; Метелев Михаил; Эльф, Йохан; Йоханссон, Магнус (июнь 2018 г.). «Отслеживание тРНК для прямых измерений кинетики синтеза белка в живых клетках» . Химическая биология природы . 14 (6): 618–626. дои : 10.1038/s41589-018-0063-y . ISSN 1552-4469 . ПМК 6124642 . ПМИД 29769736 .
- ^ Метелев Михаил; Волков Иван Л.; Лундин, Эрик; Джинно, Арвид Х.; Эльф, Йохан; Йоханссон, Магнус (12 октября 2020 г.). «Прямые измерения кинетики трансляции мРНК в живых клетках» . Природные коммуникации . 13 (1): 1852. bioRxiv 10.1101/2020.10.12.335505 . дои : 10.1038/s41467-022-29515-x . ПМЦ 8986856 . ПМИД 35388013 . S2CID 222803093 .
- ^ Вирц, Денис (2009). «Микрореология живых клеток с отслеживанием частиц: принципы и применение». Ежегодный обзор биофизики . 38 (1): 301–326. CiteSeerX 10.1.1.295.9645 . doi : 10.1146/annurev.biophys.050708.133724 . ISSN 1936-122Х . ПМИД 19416071 .
- ^ Сакстон, Майкл Дж.; Джейкобсон, Кен (1997). «Отслеживание одиночных частиц: приложения к мембранной динамике». Ежегодный обзор биофизики и биомолекулярной структуры . 26 : 373–399. doi : 10.1146/annurev.biophys.26.1.373 . ПМИД 9241424 .
- ^ Крапф, Диего (2015), «Механизмы, лежащие в основе аномальной диффузии в плазматической мембране» , Липидные домены , Актуальные темы мембран, том. 75, Elsevier, стр. 167–207, doi : 10.1016/bs.ctm.2015.03.002 , ISBN. 9780128032954 , PMID 26015283 , S2CID 34712482 , получено 20 августа 2018 г.
- ^ Голдинг, Идо (2006). «Физическая природа бактериальной цитоплазмы». Письма о физических отзывах . 96 (9): 098102. Бибкод : 2006PhRvL..96i8102G . doi : 10.1103/PhysRevLett.96.098102 . ПМИД 16606319 .
- ^ Никсон-Абелл, Джонатон; Обара, Кристофер Дж.; Вайгель, Обри В.; Ли, Донг; Легант, Уэсли Р.; Сюй, К. Шан; Пасолли, Х. Амалия; Харви, Кирстен; Хесс, Харальд Ф. (28 октября 2016 г.). «Повышенное пространственно-временное разрешение выявляет высокодинамичные плотные трубчатые матрицы в периферическом ЭР» . Наука . 354 (6311): ааф3928. doi : 10.1126/science.aaf3928 . ISSN 0036-8075 . ПМК 6528812 . ПМИД 27789813 .
- ^ Толич-Нёрреликке, Ива Мария (2004). «Аномальная диффузия в живых дрожжевых клетках». Письма о физических отзывах . 93 (7): 078102. Бибкод : 2004PhRvL..93g8102T . doi : 10.1103/PhysRevLett.93.078102 . ПМИД 15324280 . S2CID 2544882 .
- ^ Чон, Джэ Хён (2011). «Аномальная диффузия in vivo и слабое разрушение эргодичности липидных гранул». Письма о физических отзывах . 106 (4): 048103. arXiv : 1010.0347 . Бибкод : 2011PhRvL.106d8103J . doi : 10.1103/PhysRevLett.106.048103 . ПМИД 21405366 . S2CID 1049771 .
- ^ Чен, Ю; Рис, Томас В.; Цзи, Ляннянь; Чао, Хуэй (2018). «Отслеживание динамики митохондрий с помощью комплексов иридия (III)» . Современное мнение в области химической биологии . 43 : 51–57. дои : 10.1016/j.cbpa.2017.11.006 . ISSN 1367-5931 . ПМИД 29175532 .
- ^ Найт, Джефферсон Д.; Фальке, Джозеф Дж. (2009). «Одномолекулярные флуоресцентные исследования домена PH: новый взгляд на реакцию докинга мембраны» . Биофизический журнал . 96 (2): 566–582. Бибкод : 2009BpJ....96..566K . дои : 10.1016/j.bpj.2008.10.020 . ISSN 0006-3495 . ПМЦ 2716689 . ПМИД 19167305 .
- ^ Кампаньола, Грейс; Непал, Канти; Шредер, Брайс В.; Пирсен, Ольве Б.; Крапф, Диего (07 декабря 2015 г.). «Супердиффузионное движение мембранно-ориентированных доменов C2» . Научные отчеты . 5 (1): 17721. arXiv : 1506.03795 . Бибкод : 2015НатСР...517721С . дои : 10.1038/srep17721 . ISSN 2045-2322 . ПМК 4671060 . ПМИД 26639944 .
- ^ Вонг, И.Ю. (2004). «Аномальная диффузия исследует динамику микроструктуры запутанных сетей F-актина». Письма о физических отзывах . 92 (17): 178101. Бибкод : 2004PhRvL..92q8101W . doi : 10.1103/PhysRevLett.92.178101 . ПМИД 15169197 . S2CID 16461939 .
- ^ Ван, Бо; Энтони, Стивен М.; Пэ, Сон Чул; Граник, Стив (8 сентября 2009 г.). «Аномальный, но броуновский» . Труды Национальной академии наук . 106 (36): 15160–15164. Бибкод : 2009PNAS..10615160W . дои : 10.1073/pnas.0903554106 . ПМЦ 2776241 . ПМИД 19666495 .
- ^ Рам, Шрипад; Прабхат, Прашант; Чао, Джерри; Салли Уорд, Э.; Обер, Раймунд Дж. (2008). «Высокоточная 3D квантовая дотифокальная плоскостная микроскопия для изучения быстрой внутриклеточной динамики в живых клетках» . Биофизический журнал . 95 (12): 6025–6043. Бибкод : 2008BpJ....95.6025R . дои : 10.1529/biophysj.108.140392 . ПМЦ 2599831 . ПМИД 18835896 .
- ^ Бадейростами, М.; Лью, доктор медицины; Томпсон, Массачусетс; Мёрнер, МЫ (2010). «Точность трехмерной локализации функции рассеяния точки двойной спирали в сравнении с астигматизмом и биплоскостью» . Письма по прикладной физике . 97 (16): 161103. Бибкод : 2010ApPhL..97p1103B . дои : 10.1063/1.3499652 . ПМК 2980550 . ПМИД 21079725 .