힘분광학

Force spectroscopy

힘 분광학은 개별 분자 [1][2]간의 상호작용과 결합력을 연구하기 위한 일련의 기술이다.이 방법들은 단일 고분자 분자 또는 단백질, 또는 개별 화학 결합의 기계적 특성을 측정하는데 사용될 수 있다."힘 분광학"이라는 이름은 과학계에서 널리 사용되고 있지만 물질과 방사선의 상호작용이 [3]없기 때문에 다소 오해를 불러일으킨다.

힘분광학에는 원자력현미경법,[2] 광학핀셋,[4] 자기핀셋, 음향력분광학,[5] 마이크로네들,[6][7] 생체막 등이 있다.

힘분광법은 스트레칭 또는 비틀림 기계력 하에서의 분자의 거동을 측정합니다.이러한 방식으로 근수축, 세포 내 수송, 에너지 생성(F1-ATPase), DNA 복제 및 전사(폴리머라아제), DNA 노팅 해제 및 풀림(토포이소머라아제 및 헬리케이스)[citation needed]을 담당하는 효소의 기계적 결합에 대해 최근 몇 년 동안 많은 것이 학습되었다.

전형적인 앙상블 분광법과 달리 단일 분자 기술로 연구자는 연구 대상 분자의 특성을 결정할 수 있다.특히, 앙상블에서 마스킹되는 구조 변화와 같은 드문 사건이 관찰될 수 있다.

실험 기술

단일 분자를 정확하게 조작하는 방법에는 여러 가지가 있다.이들 중 눈에 띄는 것은 광학 또는 자기 핀셋, 원자력 현미경(AFM) 캔틸레버 및 음향력 분광학이다.이 모든 기술에서 단백질이나 DNA와 같은 생체분자나 다른 생체고분자는 한쪽 끝이 표면에 결합되고 다른 한쪽 끝은 힘센서에 결합된다.힘 센서는 일반적으로 마이크로미터 크기의 비드 또는 캔틸레버이며, 그 변위를 측정하여 힘을 결정할 수 있습니다.

원자력 현미경 캔틸레버

표면에 흡착된 분자는 탄성 캔틸레버의 끝에 위치한 미세한 팁(나노미터 폭)에 의해 포착된다.이 실험의 보다 정교한 버전(화학력 현미경 검사)에서는 팁이 관심 [8]분자와 공유 기능합니다.그런 다음 압전 컨트롤러가 캔틸레버를 끌어올립니다.탄성 캔틸레버에 힘이 작용하면(예를 들어 표면과 팁 사이에 분자가 늘어나기 때문에), 위(반발력) 또는 아래(인력)로 휘어집니다.후크의 법칙에 따르면, 이 굴곡은 캔틸레버에 작용하는 힘에 비례할 것이다.편향은 캔틸레버에 의해 반사되는 레이저 빔의 위치에 의해 측정된다.이러한 종류의 설정에서는 10pN(10N)의−11 낮은 힘을 측정할 수 있으며, 기본적인 분해능 한계는 캔틸레버의 열 노이즈에 의해 결정됩니다.

이른바 힘 곡선은 힘(또는 더 정확히는 캔틸레버 편향) 대 Z축의 압전 위치 그래프입니다.예를 들어 이상적인 후크 스프링은 직선 대각력 곡선을 나타낸다.일반적으로 힘 분광 실험에서 관측된 힘 곡선은 탐침이 표본 표면에 접촉하는 접촉(대각선) 영역과 탐침이 표본 표면에서 벗어나는 비접촉 영역으로 구성됩니다.캔틸레버의 복원력이 팁-샘플 접착력을 초과하면 탐침이 접촉에서 벗어나며, 이 점프의 크기는 접착력 또는 파열력의 측정값으로 종종 사용된다.일반적으로 선단-표면 결합의 파열은 확률적 과정이기 때문에 접착력의 신뢰할 수 있는 정량화는 여러 개별 힘 곡선을 취할 필요가 있다.이러한 다중 측정에서 얻은 접착력의 히스토그램은 힘 스펙트럼 분석 측정을 위한 주요 데이터 출력을 제공한다.

생물물리학에서, 단일 분자 힘 분광법은 단백질과 같은 두 생물 분자 사이의 상호작용의 기초가 되는 에너지 풍경을 연구하기 위해 사용될 수 있다.여기서 한쪽 결합 파트너는 플렉시블 링커 분자(PEG 체인)를 통해 캔틸레버 선단에 부착할 수 있으며 다른 한쪽 결합 파트너는 기판 표면에 고정된다.일반적인 접근법에서는 캔틸레버는 일정한 속도로 샘플에 접근 및 후퇴를 반복한다.경우에 따라서는 플렉시블 링커를 사용하면 접착과는 다른 특징적인 곡선 형태(웜 유사 체인 모델 참조)가 생기기 때문에 두 파트너 사이에 결합이 발생하여 힘 곡선에서 볼 수 있습니다.수집된 파열력은 결합 하중률의 함수로 분석할 수 있다.하중 속도의 함수로서의 평균 파열력의 그래프는 힘 스펙트럼이라고 불리며 동적 힘 스펙트럼 분석을 [9][10]위한 기본 데이터 세트를 형성한다.

팁-샘플 상호작용에 대한 단일 날카로운 에너지 장벽의 이상적인 경우 동적 힘 스펙트럼은 Bell [11]등이 제안한 모델에서 설명한 대로 하중 속도의 로그 함수로서 파열력의 선형 증가를 보여준다.여기서 파열력 스펙트럼의 기울기는 k β {\와 같다. 서 β(\x_{\는 에너지 최소값에서 전이 상태까지의 거리입니다.지금까지, 하중률과 파열력 사이의 관계를 설명하고 서로 다른 가정을 바탕으로 뚜렷한 곡선 [10][12]형태를 예측하는 많은 이론 모델이 존재한다.

예를 들어, Ma X., Gosai A. 등은 혈액 응고 단백질인 트롬빈과 그 DNA 압타머 [13]사이의 결합력을 알아내기 위해 분자 역학 시뮬레이션과 함께 동적 힘 분광법을 이용했다.

음력분광법

최근 개발된 기술인 음향력분광학(AFS)을 통해 수백 개의 단일 분자와 단일 셀을 병렬로 힘 조작할 수 있어 높은 실험 [5]처리량을 제공합니다.이 기술에서 피에조 소자는 미세유체 칩을 통해 평면 음향파를 공진시켜 들인다.생성된 음파는 주변 매체와 밀도가 다른 미세구에 힘을 가할 수 있다.DNA, RNA 또는 단백질과 같은 생체분자는 미세구와 표면 사이에 개별적으로 묶여 피에조 센서에 의해 가해지는 음향력에 의해 프로빙될 수 있다.세포는 음향력에 의해 직접 조작되거나 마이크로스피어를 [14]핸들로 사용하여 조작할 수 있습니다.AFS 장치를 사용하면 수백 개의 마이크로스피어에 0에서 수백 개의 피코뉴턴의 힘을 가할 수 있으며, 다수의 개별 사건의 파열력 히스토그램이나 힘-확장 곡선을 병렬로 얻을 수 있다.

광학 핀셋

단일 분자 실험의 기반이 된 또 다른 기술은 분자에 기계적 힘을 가하기 위해 광학 핀셋을 사용하는 것이다.강한 집속 레이저 빔은 나노미터에서 마이크로미터까지의 크기의 입자(유전체 재료의)를 포착하여 유지할 수 있는 능력을 가지고 있습니다.광 핀셋의 포집 작용은 유전체 구상의 쌍극자 또는 광구배력에 의해 발생한다.초점 레이저 빔을 원자 트랩으로 사용하는 기술은 1984년 벨 연구소에서 처음 적용되었다.그때까지는 반대 방향의 레이저를 입자를 가두는 수단으로 사용하여 실험이 수행되었다.이후 벨 연구소와 다른 연구소에서 실시된 같은 프로젝트에서 적외선 레이저를 이용한 세포에 대한 손상 없는 조작을 보여주었다.따라서 광학적 포획을 이용한 생물학적 실험을 위한 지반이 만들어졌다.

각각의 기술은 장단점이 있다.예를 들어, AFM 캔틸레버는 앵스트롬 스케일의 밀리초 이벤트와 10pN보다 큰 힘을 측정할 수 있습니다.유리 마이크로 파이버는 이렇게 미세한 공간 분해능과 시간 분해능을 얻을 수 없지만 피코뉴톤의 힘을 측정할 수 있습니다.광학 핀셋은 많은 생물학적 실험에 이상적인 범위인 피코뉴톤의 힘과 나노미터 변위를 측정할 수 있게 해줍니다.자기 핀셋은 펨토뉴턴의 힘을 측정할 수 있으며 비틀림에도 사용할 수 있습니다.AFS 장치는 밀리초 미만의 응답 시간으로 수백 개의 개별 입자에 병렬로 피코뉴턴 힘을 가함으로써 생물학적 시스템의 기계적 특성을 통계적으로 분석할 수 있습니다.

적용들

힘 분광법의 일반적인 적용은 고분자 탄성, 특히 RNA와 [15]DNA와 같은 생체 고분자의 측정이다.고분자 힘 분광법의 또 다른 생물물리학적 응용은 단백질 [16]전개에 관한 것이다.모듈러 단백질은 금 또는 (더 드물게) 운모 표면에 흡착되어 늘어날 수 있습니다.모듈의 순차적 전개는 힘 대 신장 그래프의 매우 특징적인 톱니 패턴으로 관찰됩니다. 모든 치아는 단일 단백질 모듈의 전개에 해당합니다(일반적으로 단백질 분자가 팁에서 분리되는 마지막을 제외하고).이 기술을 통해 단백질의 탄력성과 단백질 전개에 대한 많은 정보를 얻을 수 있습니다.살아있는 세포에 있는 많은 단백질들은 기계적 스트레스에 직면해야 한다.

또한 힘분광법은 DNA 복제, 전사, 구성 및 수복에 관여하는 단백질의 효소 활성을 조사하기 위해 사용될 수 있다.이는 한쪽 끝이 표면에 부착된 DNA 테더에 고정된 DNA-단백질 복합체에 부착된 비드의 위치를 측정하면서 힘을 일정하게 유지함으로써 달성된다.예를 들어 이 기술은 클렙시딘과 아시네토딘에 [17]의한 전사 신장 억제를 연구하기 위해 사용되어 왔다.

힘 분광법의 또 다른 주요 적용 분야는 화학 결합의 기계적 저항 연구이다.이 경우 일반적으로 팁은 표면에 결합된 다른 분자에 결합하는 리간드로 기능한다.팁은 표면에서 밀려서 두 분자 사이의 접촉을 허용한 후 새로 형성된 결합이 끊어질 때까지 수축됩니다.결합이 분해되는 힘이 측정됩니다.기계적 파단은 운동적이고 확률적인 과정이기 때문에 파단력은 절대적인 매개변수가 아니라 온도와 당기는 속도 모두의 함수이다.낮은 온도와 높은 당김 속도는 높은 파괴력에 해당합니다.다양한 인장 속도에서의 파괴력을 세심하게 해석함으로써 기계적 [18]힘 하에서 화학 결합의 에너지 풍경을 매핑할 수 있다.이는 항체-항원, 단백질-단백질, 단백질-생활세포 상호작용 및 캐치본드 [19]연구에서 흥미로운 결과로 이어지고 있다.

최근 이 기술은 세포질 내 입자의 움직임에 영향을 미치는 운동 단백질에 의해 생성된 집합 확률적 힘을 측정하기 위해 세포 생물학에 사용되어 왔다.이 경우, 힘 스펙트럼 현미경은 세포질 [20]내에서 입자의 움직임을 필요로 하는 많은 세포 과정을 이해하기 위해 더 잘 사용될 수 있다.

레퍼런스

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참고 문헌