Введение
Одномолекулярный эксперимент – это эксперимент, изучающий свойства отдельных молекул. Исследования отдельных молекул отличаются от измерений на ансамбле или совокупности молекул, где индивидуальное поведение молекул неразличимо и измеряются только усредненные характеристики. Поскольку многие методы измерений в биологии, химии и физике недостаточно чувствительны для наблюдения за отдельными молекулами, методы одномолекулярной флуоресценции (развившиеся с 1990-х годов для изучения различных процессов на уровне отдельных молекул) вызвали значительный интерес, поскольку они позволили получить множество новых деталей об исследуемых процессах, недоступных ранее. Действительно, с 1990-х годов было разработано множество методов для изучения отдельных молекул. Первыми одномолекулярными экспериментами были эксперименты с патч-клампом, проведенные в 1970-х годах, однако они ограничивались изучением ионных каналов. Сегодня с использованием одномолекулярных методов исследуются такие системы, как движение миозина по актиновым нитям в мышечной ткани и спектроскопические характеристики отдельных локальных сред в твердых телах. Конформации биологических полимеров измеряются с помощью атомно-силовой микроскопии (AFM). С помощью форсовой спектроскопии отдельные молекулы (или пары взаимодействующих молекул), как правило, полимеры, могут быть механически растянуты, а их упругий отклик регистрируется в реальном времени.
История
В газовой фазе при ультранизких давлениях эксперименты с одиночными молекулами проводятся десятилетиями, но в конденсированной фазе – только с 1989 года, благодаря работам В. Э. Моернера и Лотара Кадора. Год спустя Мишель Оррит и Жакки Бернар продемонстрировали возможность детектирования поглощения отдельных молекул по их флуоресценции. Многие методы позволяют наблюдать одну молекулу за раз, наиболее известным из которых является масс-спектрометрия, где обнаруживаются одиночные ионы. Кроме того, одним из первых способов детектирования отдельных молекул стало развитие техники патч-клампа Эрвином Нехером и Бертом Сакманном (позднее удостоенными Нобелевской премии за их основополагающий вклад) в области ионных каналов. Однако, идея измерения проводимости для изучения отдельных молекул накладывала серьезные ограничения на типы исследуемых систем. Флуоресценция – удобный метод наблюдения за одной молекулой за раз, главным образом благодаря чувствительности коммерческих оптических детекторов, способных регистрировать одиночные фотоны. Однако, спектроскопически, наблюдение за одной молекулой требует, чтобы молекула находилась в изолированной среде и излучала фотоны при возбуждении. Благодаря технологии детектирования одиночных фотонов с использованием фотоумножительных трубок (PMT) или лавинных фотодиодов (APD), стало возможным регистрировать события эмиссии фотонов с высокой чувствительностью и временным разрешением. В последнее время флуоресценция отдельных молекул вызывает большой интерес в биологической визуализации, посредством маркировки биомолекул, таких как белки и нуклеотиды, для изучения ферментативной функции, которую сложно исследовать в макромасштабе из-за незначительных временных изменений в катализе и структурной реорганизации. Наиболее изученным белком является класс миозин/актин-ферментов, обнаруженных в мышечных тканях. С помощью методов, работающих с отдельными молекулами, был наблюдаем и охарактеризован ступенчатый механизм во многих из этих белков. В 1997 году детектирование отдельных молекул было продемонстрировано с использованием поверхностно-усиленной спектроскопии Рамана (SERS) Катрин Кнайпп, Х. Кнайпп, Ю. Ван, Л. Т. Перельман и другими в MIT, а также независимо S. Nie и S. R. Emory в Университете Индианы. Команда MIT использовала нерезонансное возбуждение Рамана и поверхностное усиление с помощью серебряных нанокластеров для детектирования одиночных молекул крезил-фиолетового, в то время как команда Университета Индианы использовала резонансное возбуждение Рамана и поверхностное усиление с помощью серебряных наночастиц для детектирования одиночных молекул родамина 6G. Наноманипуляторы, такие как атомно-силовой микроскоп, также подходят для экспериментов с отдельными молекулами, имеющими биологическое значение, поскольку они работают в том же масштабе длины, что и большинство биологических полимеров. Кроме того, атомно-силовая микроскопия (AFM) подходит для изучения синтетических полимерных молекул. AFM предоставляет уникальную возможность трехмерной визуализации полимерных цепей. Например, режим простукивания AFM достаточно мягкий для регистрации адсорбированных полиэлектролитных молекул (например, цепей поли(2-винилпиридина) толщиной 0,4 нм) в жидкой среде. В этих экспериментах расположение двух перекрывающихся цепей соответствует двойной толщине одной цепи (0,8 нм в упомянутом примере). При использовании соответствующих параметров сканирования конформация таких молекул остается неизменной в течение нескольких часов, что позволяет проводить эксперименты в жидких средах с различными свойствами. Оптические пинцеты также использовались для изучения и количественной оценки взаимодействий ДНК-белок. В частности, ионные каналы переключаются между проводящими и непроводящими состояниями, различающимися по конформации. Следовательно, функциональное состояние ионных каналов может быть измерено непосредственно с помощью достаточно чувствительной электроники, при условии принятия надлежащих мер предосторожности для минимизации шума. В свою очередь, каждое из этих состояний может быть разделено на одно или несколько кинетических состояний, непосредственно связанных с основной функцией ионного канала. Проведение подобных одномолекулярных исследований в систематически изменяющихся условиях (например, концентрация и структура агониста, проникающий ион и/или блокатор канала, мутации в аминокислотах ионного канала) может предоставить информацию о взаимопревращениях различных кинетических состояний ионного канала.
Передача энергии резонансной флуоресценции одной молекулы (FRET)
Основная статья: smFRET. В эксперименте по флуоресцентному резонансному переносу энергии на отдельных молекулах, молекула маркируется (как минимум) в двух точках. Лазерный луч фокусируется на молекуле, возбуждая первый флуорофор. Когда этот флуорофор релаксирует и испускает фотон, существует вероятность возбуждения другого флуорофора. Эффективность поглощения фотона, испущенного первым флуорофором, вторым флуорофором зависит от расстояния между этими флуорофорами. Поскольку расстояние изменяется во времени, этот эксперимент позволяет изучать внутреннюю динамику молекулы.
Эксперименты с ансамблем
При рассмотрении данных, связанных с отдельными молекулами, обычно можно построить пропагаторы и функции плотности вероятности времени перехода первого, второго и более высоких порядков, в то время как из объемных экспериментов обычно получают зависимость распада корреляционной функции. Из информации, содержащейся в этих уникальных функциях (полученных из отдельных молекул), можно получить относительно ясную картину поведения системы, например, ее кинетическую схему, потенциал активности или форму пониженной размерности. В частности, при мониторинге активности отдельного фермента можно реконструировать (множество характеристик) пути реакции этого фермента. Кроме того, ряд авторов описали важные аспекты анализа данных по отдельным молекулам, такие как методы подгонки и тесты на однородность популяций. Однако, это открывает огромный потенциал для непосредственного наблюдения за биомолекулами в их естественных процессах. Эти методы часто применяются для изучения белков с низкой копийностью, многие из которых еще предстоит открыть. Эти методы также были расширены для применения в различных областях химии, включая картирование гетерогенных поверхностей.