Жалғыз молекулалық эксперименттер: қасиеттері мен қолданылуы
Single-molecule experiment
Жалғыз молекулалық эксперименттер – жеке молекулалардың қасиеттерін зерттейді. Бұл әдіс, 1990 жылдардан бері дамып, биология, химия, физикада жаңа мәліметтер береді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Бір молекулалық эксперимент – жеке молекулалардың қасиеттерін зерттейтін эксперимент. Жеке молекулаларды зерттеу, молекулалардың жеке мінез-құлқын ажырату мүмкін болмайтын және тек орташа сипаттамаларды ғана өлшеуге болатын, молекулалардың жиынтығындағы өлшемдермен салыстырылады. Биология, химия және физика салаларындағы көптеген өлшеу техникалары жеке молекуланы байқауға жеткілікті сезімтал болмағандықтан, 1990 жылдардан бері жеке молекулалар деңгейіндегі түрлі процестерді зерттеу үшін пайда болған бір молекулалық флуоресценциялық техникалар үлкен қызығушылық тудырды, себебі олар бұрын қол жетімсіз болған өлшенген процестер туралы көптеген жаңа мәліметтерді ұсынды. Шындығында, 1990 жылдардан бері жеке молекулаларды зерттеуге арналған көптеген техникалар әзірленді. Алғашқы бір молекулалық эксперименттер 1970 жылдары жүргізілген патч-клемпа эксперименттері болды, бірақ олар иондық каналдарды зерттеумен ғана шектелді. Бүгінде бір молекулалық техникаларды қолдану арқылы зерттелген жүйелерге бұлшықет тініндегі актин талшықтарындағы миозиннің қозғалысы және қатты денелердегі жеке жергілікті ортаның спектроскопиялық ерекшеліктері жатады. Биологиялық полимерлердің конформациялары атомдық күш микроскопиясы (АФМ) арқылы өлшенді. Күш спектроскопиясын қолдану арқылы, әдетте полимерлер болатын, жеке молекулаларды (немесе өзара әрекеттесетін молекулалардың жұптарын) механикалық түрде созуға болады және олардың серпімді жауабы нақты уақытта тіркеледі.
A single molecule experiment is an experiment that investigates the properties of individual molecules. Single molecule studies may be contrasted with measurements on an ensemble or bulk collection of molecules, where the individual behavior of molecules cannot be distinguished, and only average characteristics can be measured. Since many measurement techniques in biology, chemistry, and physics are not sensitive enough to observe single molecules, single molecule fluorescence techniques (that have emerged since the 1990s for probing various processes on the level of individual molecules) caused a lot of excitement, since these supplied many new details on the measured processes that were not accessible in the past. Indeed, since the 1990s, many techniques for probing individual molecules have been developed. The first single molecule experiments were patch clamp experiments performed in the 1970s, but these were limited to studying ion channels. Today, systems investigated using single molecule techniques include the movement of myosin on actin filaments in muscle tissue and the spectroscopic details of individual local environments in solids. Biological polymers' conformations have been measured using atomic force microscopy (AFM). Using force spectroscopy, single molecules (or pairs of interacting molecules), usually polymers, can be mechanically stretched, and their elastic response recorded in real time.
Тарих
Газ фазасындағы өте төмен қысымда бір молекулалық эксперименттер ондаған жылдар бойы жүргізіліп келеді, бірақ конденсацияланған фазада тек 1989 жылдан бастап В. Э. Моернер және Лотар Кадордың жұмыстарымен мүмкін болды. Бір жылдан кейін Мишель Оррит және Жакки Бернар флуоресценция арқылы жеке молекулалардың сіңірілуін анықтауға қол жеткізді. Көптеген техникалар бір уақытта бір молекуланы байқауға мүмкіндік береді, ең бастысы – жеке иондарды анықтайтын массалық спектрометрия. Сонымен қатар, жеке молекулаларды анықтаудың ең алғашқы тәсілдерінің бірі иондық каналдар саласында Эрвин Негер мен Берт Сакманның (кейіннен олардың маңызды үлесі үшін Нобель сыйлығын алған) патч-кламп техникасын әзірлеуімен пайда болды. Дегенмен, өткізгіштікті өлшеу идеясы жеке молекулаларды зерттеуге болатын жүйелерге елеулі шектеу қойды. Флуоресценция – коммерциялық оптикалық детекторлардың жоғары сезімталдығының арқасында бір уақытта бір молекуланы байқаудың ыңғайлы тәсілі, олар жеке фотондарды санауға қабілетті. Алайда, спектроскопиялық тұрғыдан, бір молекуланы байқау үшін молекуланың оқшауланған ортада болуы және қозу кезінде фотондарды шығаруы қажет. Фотокөбейтілгіш түтіктерді (PMT) немесе лавиналық фотодиодтарды (APD) пайдалану арқылы жеке фотондарды анықтау технологиясы фотондар эмиссиясын жоғары сезімталдықпен және уақыт ажыратымдылығымен тіркеуге мүмкіндік береді. Соңғы кезде бір молекулалық флуоресценция биологиялық бейнелеуге қызығушылық тудырып, ақуыздар және нуклеотидтер сияқты биомолекулаларды белгілеу арқылы ферменттік функцияларды зерттеуге қолданылуда. Бұл функцияларды кең ауқымды масштабта зерттеу қиын, себебі катализ және құрылымдық қайта ұйымдастырудағы уақытқа тәуелді нәзік қозғалыстар болады. Ең көп зерттелген ақуыз – бұл бұлшықет тіндерінде кездесетін миозин/актин ферменттерінің класы. Бір молекулалық әдістер арқылы көптеген ақуыздарда қадамдық механизм байқалып, сипатталды. 1997 жылы Катрин Кнейп, Х. Кнейп, Ю. Ван, Л. Т. Перельман және басқалар (MIT) және тәуелсіз түрде С. Ни және С. Р. Эмори (Индиана университеті) беттік күшейтілген Раман спектроскопиясы (SERS) арқылы бір молекулалық анықтаманы көрсетті. MIT тобы күміс нанокластерлерін пайдаланып, резонанс емес Раман қоздыруы және беттік күшею арқылы бір крезил қызғылт молекуласын анықтады, ал Индиана университетінің тобы күміс нанобөлшектерін пайдаланып, резонанс Раман қоздыруы және беттік күшею арқылы бір родамин 6G молекуласын анықтады. Атомдық күш микроскопы сияқты наноманипуляторлар да биологиялық маңызы бар бір молекулалық эксперименттерге жарамды, себебі олар көптеген биологиялық полимерлердің ұзындық масштабында жұмыс істейді. Сонымен қатар, атомдық күш микроскопиясы (AFM) синтетикалық полимер молекулаларын зерттеуге қолайлы. AFM полимер тізбектерін 3D бейнелеудің бірегей мүмкіндігін ұсынады. Мысалы, AFM-нің түймелеу режимі сұйық ортада адсорбцияланған полиэлектролит молекулаларын (мысалы, 0,4 нм қалыңдығындағы поли(2 винилпиридин) тізбектерін) жазу үшін жеткілікті жұмсақ. Осы тәжірибелерде екі тізбектің суперпозициясының орналасуы бір тізбектің қалыңдығынан екі есеге сәйкес келеді (аталған мысал үшін 0,8 нм). Тиісті сканерлеу параметрлерін қолданған кезде мұндай молекулалардың конформациясы бірнеше сағат бойы өзгермейді, бұл түрлі қасиеттері бар сұйық ортада эксперименттер жүргізуге мүмкіндік береді. Оптикалық пинцеттер ДНК-белок өзара әрекеттесуін зерттеу және мөлшерлеу үшін де қолданылған. Атап айтқанда, иондық каналдар конформациясы бойынша ерекшеленетін өткізгіш және өткізбейтін кластар арасында ауысады. Сондықтан, иондық каналдардың функционалдық күйін жеткілікті сезімтал электроникамен тікелей өлшеуге болады, егер шуды азайту үшін тиісті сақтық шаралары қолданылса. Өз кезегінде, осы кластардың әрқайсысы иондық каналдың негізгі функциясына тікелей қатысы бар бір немесе бірнеше кинетикалық күйлерге бөлінеді. Мұндай бір молекулалық зерттеулерді жүйелі түрде әр түрлі жағдайларда (мысалы, агонист концентрациясы мен құрылымы, өткізгіш ион және/немесе канал блокаторы, иондық каналдың аминқышқылдарының мутациялары) жүргізу иондық каналдың әртүрлі кинетикалық күйлерінің өзара айналуы туралы ақпарат бере алады.
In the gas phase at ultralow pressures, single molecule experiments have been around for decades, but in the condensed phase only since 1989 with the work by W. E. Moerner and Lothar Kador. One year later, Michel Orrit and Jacky Bernard were able to show also the detection of the absorption of single molecules by their fluorescence. Many techniques have the ability to observe one molecule at a time, most notably mass spectrometry, where single ions are detected. In addition, one of the earliest means of detecting single molecules, came about in the field of ion channels with the development of the patch clamp technique by Erwin Neher and Bert Sakmann (who later went on to win the Nobel prize for their seminal contributions). However, the idea of measuring conductance to look at single molecules placed a serious limitation on the kind of systems which could be observed. Fluorescence is a convenient means of observing one molecule at a time, mostly due to the sensitivity of commercial optical detectors, capable of counting single photons. However, spectroscopically, the observation of one molecule requires that the molecule is in an isolated environment and that it emits photons upon excitation, which owing to the technology to detect single photons by use of photomultiplier tubes (PMT) or avalanche photodiodes (APD), enables one to record photon emission events with great sensitivity and time resolution. More recently, single molecule fluorescence is the subject of intense interest for biological imaging, through the labeling of biomolecules such as proteins and nucleotides to study enzymatic function which cannot easily be studied on the bulk scale, due to subtle time dependent movements in catalysis and structural reorganization. The most studied protein has been the class of myosin/actin enzymes found in muscle tissues. Through single molecule techniques the step mechanism has been observed and characterized in many of these proteins. In 1997, single molecule detection was demonstrated with surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) by Katrin Kneipp, H. Kneipp, Y. Wang, L. T. Perelman and others at MIT and independently by S. Nie and S. R. Emory at Indiana University. The MIT team used non resonance Raman excitation and surface enhancement with silver nanoclusters to detect single cresyl violet molecules, while the team at Indiana University used resonance Raman excitation and surface enhancement with silver nanoparticles to detect single rhodamine 6G molecules. Nanomanipulators such as the atomic force microscope are also suited to single molecule experiments of biological significance, since they work on the same length scale of most biological polymers. Besides, atomic force microscopy (AFM) is appropriate for the studies of synthetic polymer molecules. AFM provides a unique possibility of 3D visualization of polymer chains. For instance, AFM tapping mode is gentle enough for the recording of adsorbed polyelectrolyte molecules (for example, 0.4 nm thick chains of poly(2 vinylpyridine)) under liquid medium. The location of two chain superposition correspond in these experiments to twice the thickness of single chain (0.8 nm in the case of the mentioned example). At the application of proper scanning parameters, conformation of such molecules remain unchanged for hours that allows the performance of experiments under liquid media having various properties. Optical tweezers have also been used to study and quantify DNA protein interactions. Specifically, ion channels alternate between conducting and non conducting classes, which differ in conformation. Therefore, the functional state of ion channels can be directly measured with sufficiently sensitive electronics, provided that proper precautions are taken to minimize noise. In turn, each of these classes may be divided into one or more kinetic states with direct bearing on the underlying function of the ion channel. Performing these types of single molecule studies under systematically varying conditions (e. g. agonist concentration and structure, permeant ion and/or channel blocker, mutations in the ion channel amino acids), can provide information regarding the interconversion of various kinetic states of the ion channel.
Бір молекулалық флуоресценттік резонанстық энергияны беру (FRET)
Негізгі мақала smFRET. Бір молекулалық флуоресценттік резонанстық энергия беруде молекула (кем дегенде) екі жерде белгіленеді. Лазерлік сәуле молекулаға фокусқа түсіріліп, бірінші зондты қозады. Бұл зонд релаксацияланып, фотон шығарғанда, екінші зондты қозуға мүмкіндік туады. Бірінші зондтан шыққан фотонның екінші зондқа сіңірілу тиімділігі осы зондтар арасындағы қашықтыққа байланысты. Қашықтық уақыт өте келе өзгеретіндіктен, бұл тәжірибе молекуланың ішкі динамикасын зерттейді.
Main article smFRET. In single molecule fluorescence resonance energy transfer, the molecule is labeled in (at least) two places. A laser beam is focused on the molecule exciting the first probe. When this probe relaxes and emits a photon, it has a chance of exciting the other probe. The efficiency of the absorption of the photon emitted from the first probe in the second probe depends on the distance between these probes. Since the distance changes with time, this experiment probes the internal dynamics of the molecule.
Ансамбльдік тәжірибелер
Жеке молекулаларға қатысты деректерді қарастырғанда, әдетте таратушыларды және бірінші, екінші және т.б. реттік уақыт тығыздығы функцияларын құрастыруға болады, ал көп мөлшерлі эксперименттерден көбінесе корреляциялық функцияның ыдырауын аламыз. Осы ерекше функциялардың (жеке молекулалардан алынған) құрамындағы ақпараттан жүйенің қалай әрекет ететіні туралы салыстырмалы түрде нақты картинаны алуға болады; мысалы, оның кинетикалық схемасы, белсенділік потенциалы немесе оның қысқартылған өлшемдері. Атап айтқанда, жеке ферменттің белсенділігін бақылап, ферменттің реакциялық жолын құрастыруға болады. Сонымен қатар, бірнеше авторлар бір молекулалық деректерді талдаудың маңызды аспектілерін, мысалы, біртекті популяцияларға сәйкес келу әдістерін және тесттерін сипаттаған. Дегенмен, бұл биомолекулаларды табиғи процестерде тікелей бақылауға зор мүмкіндік береді. Бұл техникалар көбінесе аз көшірмелі ақуыздарды зерттеуге бағытталған, олардың көп бөлігі әлі де ашылуда. Бұл техникалар химия салаларын зерттеуге де қолданылды, соның ішінде гетерогенді беттерді картографиялауға.
When looking at data related to individual molecules, one usually can construct propagators, and jumping time probability density functions, of the first order, the second order and so on, whereas from bulk experiments, one usually obtains the decay of a correlation function. From the information contained in these unique functions (obtained from individual molecules), one can extract a relatively clear picture on the way the system behaves; e. g. its kinetic scheme, or its potential of activity, or its reduced dimensions form. In particular, one can construct (many properties of) the reaction pathway of an enzyme when monitoring the activity of an individual enzyme. Additionally, significant aspects regarding the analysis of single molecule data—such as fitting methods and tests for homogeneous populations—have been described by several authors. however, brings with it an enormous potential to directly observe bio molecules in native processes. These techniques are often targeted for studies involving low copy proteins, many of which are still being discovered. These techniques have also been extended to study areas of chemistry, including the mapping of heterogeneous surfaces.