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.

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.

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.

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.