Optical tweezers have been used to study RNA folding by stretching individual molecules from their 5’ and 3’ ends. Here common procedures are described to synthesize RNA molecules for tweezing, calibration of the instrument, and methods to manipulate single molecules.
هو كتب جزء كبير من الجينوم البشري ولكن لم تترجم. في هذا العصر الجينومي آخر، وقد تبين أن المهام التنظيمية من الحمض النووي الريبي لتكون ذات أهمية متزايدة. وظيفة RNA غالبا ما يعتمد على قدرته على اعتماد هياكل بديلة، فمن الصعب التنبؤ RNA الهياكل ثلاثية الأبعاد مباشرة من التسلسل. يقترب احد جزيء تظهر إمكانات لحل مشكلة RNA تعدد الأشكال الهيكلي من خلال مراقبة الهياكل الجزيئية جزيء واحد في كل مرة. يقدم هذا العمل وسيلة للتلاعب على وجه التحديد للطي وبنية جزيئات الحمض النووي الريبي واحدة باستخدام ملاقط بصرية. أولا، طرق لتجميع وصفها جزيئات مناسبة للجزيء واحد العمل الميكانيكي. وتناقش المقبلة، مختلف الإجراءات المعايرة لضمان عمليات السليم للملاقط بصرية. المقبل، وأوضح تجارب مختلفة. للتدليل على فائدة هذه التقنية، نتائج تتكشف ميكانيكيا دبابيس الشعر RNA و RNA واحد كيسينوتستخدم ز مجمع كدليل. في هذه الأمثلة، تم استخدام تقنية nanomanipulation لدراسة لطي من كل مجال الهيكلي، بما في ذلك الثانوية والثالثية، بشكل مستقل. وأخيرا، وتناقش القيود والتطبيقات المستقبلية لهذه الطريقة.
منذ فترة طويلة رافقت تطور تقنية ملاقط بصرية مع تطبيقه في الأبحاث البيولوجية. عندما اكتشفت لأول مرة تأثير محاصرة البصرية، لاحظ آرثر Ashkin أن البكتيريا في المياه الملوثة يمكن محاصرين في التركيز الليزر 1. منذ ذلك الحين، أصبحت محاصرة البكتيريا وغير مقصود، تجربة ممتعة لأجيال من طلاب الفيزياء الحيوية وكذلك أداة بحثية جادة لدراسة علم وظائف الأعضاء الميكروبية 2،3. تستخدم تقنية محاصرة البصرية شعاع الليزر مركزة لشل حركة كائن مجهري 1. عمليا، فخ الليزر وظائف باعتباره الربيع البصري، الذي يقيس أيضا القوة (F) على الكائن المحاصرين من النزوح لها من مركز فخ (ΔX). ضمن نطاق قصير، F = κ س ΔX، في κ هو ثابت ربيع الفخ. فخ البصرية يمكن أن تستخدم لممارسة القوة في picoNewton (PN) الدقة إلى صغار جداالكائن copic وقياس موقفها مع نانومتر الدقة. في العقدين الماضيين، أصبحت ملاقط بصرية واحدة من التقنيات جزيء واحد الأكثر استخداما في الفيزياء الحيوية. واستخدمت هذه التقنية لدراسة لطي واليات 4-6 DNA، RNA 7-9، والبروتينات 10،11. كما تم استخدام ملاقط بصرية لمراقبة تكرار الحمض النووي 12، RNA النسخ 13، وتخليق البروتين 14،15، فضلا عن العديد من الأحداث الجزيئية البيولوجية الأخرى 16-18.
ويعمل نهج واحد جزيء RNA في البحوث الهيكلي أساسا لاستكشاف المناظر الطبيعية الوعرة الطاقة للطي من الحمض النووي الريبي. تسلسل RNA يمكن طيها عادة في هياكل متعددة مستقرة ويستبعد بعضها بعضا، وذلك بسبب قواعد التركيب الكيميائي والتقشير قاعدة بسيطة من الحمض النووي الريبي. منذ فترة طويلة كان من المعروف أن RNA تعدد الأشكال الهيكلية، مثل أن يحدث في riboswitches 19،20، يلعب دورا هاما في تنظيم الجينات. وrecenوقد كشف مسح ر الجينوم على نطاق أن تغيرات درجة الحرارة صغيرة مثل بضع درجات تؤثر بشكل كبير هيكل والبروتين من جزء كبير من Transcriptome على الخلوي 21. تلميحات هذا المثال أن الدور البيولوجي للRNA البديل للطي هو ربما أكثر أهمية وانتشارا مما كان يفترض سابقا. تعدد الأشكال الهيكلي، ومع ذلك، يشكل تحديا للنهج البيوكيميائية والفيزيائية الحيوية التقليدية، التي تدرس متوسط خصائص العديد من الجزيئات. على سبيل المثال، "على" والتشكل "OFF" لriboswitch حصرية بشكل متبادل. هيكل المتوسط المستمدة من الهياكل غير متجانسة من غير المحتمل أن تشبه أي من المتشاكلات ذات الصلة من الناحية البيولوجية. وعلاوة على ذلك، RNA الأهرام ومرنا عادة ما تشكل الهياكل. تفاعلها مع البروتينات والرنا التنظيمية يتطلب عادة تتكشف من الهيكل الحالي كجزء من التفاعل. لذلك، ودراسة RNA تتكشف / refolding يصبح وثيقة الصلةقضية البيولوجيا RNA. لمواجهة مثل هذا التحدي، فقد تم توظيف نهج واحد جزيء RNA لكشف تعدد الأشكال الهيكلي من خلال دراسة جزيء في وقت واحد 22-27.
بالمقارنة مع شعبية واحدة جزيء طريقة مضان، ملاقط استنادا الميكانيكية تتكشف تقدم ميزة أن التشكل من الجزيئات الفردية يمكن التلاعب بالقوة التطبيقية وقياسها بدقة نانومتر. ويمكن استخدام هذه القدرة nanomanipulation لمراقبة تتكشف / للطي من المجالات البنيوية الفردية بحيث للطي الهرمي من RNA كبير يمكن تشريح 28. بدلا من ذلك، ضفيرة واحدة يمكن أن توجه إلى أضعاف في واحدة من عدة المتشاكلات. أو هيكل قائم يمكن أن يتسبب ميكانيكيا لrefold إلى التشكل مختلفة 29. تحت الظروف البيولوجية، بنية RNA يمكن تغييرها بناء على التغير في درجة الحرارة أو يجند ملزمة. القدرة على التلاعب مباشرة ق الجزيئيةtructure يفتح مكان جديد من الحمض النووي الريبي دراسة الهيكلية. من حيث المبدأ، والتقنيات الميكانيكية الأخرى، مثل مجهر القوة الذرية وملاقط المغناطيسية، يمكن أن تستخدم أيضا لدراسة لطي من جزيئات الحمض النووي الريبي واحدة. ومع ذلك، هذه الطلبات تقتصر إلى حد كبير نظرا لدقة المكاني منخفض نسبيا 30.
توظيف ملاقط بصرية يسمح الهياكل RNA أن تكشفت بالقوة الميكانيكية.
ميزة الميكانيكية التي تتكشف هي عدة أضعاف. ويمكن استخدام القوة لتتكشف الهياكل كلا الثانوية والثالثية، في حين ايونات المعادن ويجند الناجم لطي تقتصر أساسا إلى هياكل التعليم العالي. درجة الحرارة وممسخ يمكن أن تؤثر تأثيرا كبيرا على أنشطة المياه والمواد المذابة. في المقابل، يتم تطبيق قوة محليا إلى التشويش على الهياكل الجزيئية. تأثير القوة على البيئة المحيطة لا يكاد يذكر. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام أفضل ذوبان الحراري لدراسة ديناميكا الحرارية للطي الهياكل RNA الصغيرة،في حين تم استخدام ملاقط بصرية لدراسة الهياكل RNA مع أحجام مختلفة، تتراوح بين سبعة tetraloop دبوس قاعدة الزوج 28 إلى ribozyme 400 النوكليوتيدات 31. وعلاوة على ذلك، والهياكل RNA يمكن تكشفت ميكانيكيا في درجات حرارة متوسطة الحرارة. في المقابل، تتكشف الرنا في تجربة ذوبان الحرارية، ودرجة الحرارة وعادة ما المثارة أعلاه جيدا درجات الحرارة الفسيولوجية، مما يزيد بشكل كبير RNA المائي، خاصة في وجود أيونات المغنيسيوم 2+.
من المهم أن نلاحظ أن التأثير الميكانيكي للقوة يعتمد على كيفية تطبيقه على هيكل. قوة التطبيقية يميل المشهد الطاقة للطي. على سبيل المثال، عندما يتم تطبيق قوة إلى منعطف حاد، يتم تقسيم أزواج قاعدة بالتتابع، في وقت واحد (الشكل 1A). شوكة تمزيق تقدم على طول محور حلزونية، وهو عمودي على القوة المستخدمة. في المقابل، عندما مجمع التقبيل الحد الأدنى هو تحت التوتر، وهما التقبيلأزواج قاعدة، هي موازية للقوة التطبيقية، تبادل الحمل القوة (الشكل 1B). هندستها مختلفة من دبوس الشعر والتقبيل قريب معقدة إلى نتيجة القوة المطبقة في استجابتها الميكانيكية المختلفة، والتي يمكن استخدامها للتمييز بين الثانوي والعالي للطي 28،32. تم استعراض الجانب النظري من الميكانيكية التي تتكشف في وقت سابق 8،9،30. ويعرض هذا العمل النهج الأساسية لإعداد وتنفيذ واحد جزيء الميكانيكية فحص تتكشف.
الإعداد التجريبية. في تجربة سحب الميكانيكية لدينا، وتتكون عينة الحمض النووي الريبي لنتف الريش من الحمض النووي الريبي التي تهم يحيط بها اثنان مقابض DNA / RNA المزدوج تقطعت بهم السبل (الشكل 2) 7. يمكن المربوطة الجزيء بأكمله لاثنين من الخرز ميكرون حجم المغلفة سطح (Spherotech) عبر streptavidin البيوتين وتفاعلات الأجسام المضادة digoxigenin-مكافحة digoxigenin، على التوالي. يقام حبة واحدة من قبل آر البصرية قياس القوةا ف ب، في حين أن الآخر هو عقد على غيض من micropipette. المسافة النسبية بين حبات يمكن تغيير إما عن طريق توجيه فخ أو نقل micropipette. باستخدام هذا النهج، جزيء RNA وحيد يربطون حبات يمكن أن تمتد والاسترخاء.
إعداد العينات. تجميع عينات الحمض النووي الريبي لنتف الريش يتضمن خطوات قليلة (الشكل 3). أولا، يتم استنساخ تسلسل الحمض النووي RNA المقابلة لمن الفائدة لأول مرة في ناقلات البلازميد. بعد ذلك، يتم تنفيذ ثلاثة تفاعلات PCR لتوليد اثنين من مقابض وقالب لالنسخ. القالب النسخ يشمل المناطق المقبض وتسلسل المدرجة. يتم تصنيعه طول RNA كاملا في المختبر النسخ. أخيرا، ويلدن الحمض النووي الريبي ومقابض معدلة كيميائيا معا لتوليد جزيئات لنتف الريش.
معايرة وتشغيل الملقط. التصميم الأساسي لاستخدام Minitweezersد في هذا العمل يتبع ذلك من ملاقط بصرية مزدوجة شعاع 33. مع العديد من التحسينات، عرض Minitweezers الاستقرار الاستثنائي بالمقارنة مع ملاقط بصرية الجيل الأول. وهناك عدد من المجموعات البحثية في العديد من البلدان استخدام Minitweezers في مجال البحوث جزيء واحد من 14،15،34-37. تفاصيل البناء، والمعايرة، وتشغيل الجهاز، بما في ذلك أشرطة الفيديو التعليمية، وتتوفر في "الملقط لاب" على الانترنت (http://tweezerslab.unipr.it). هنا، يتم وصف التحسينات وإجراءات المعايرة التي تحتاج إلى أن يقوم على أسس اليومية بالتفصيل.
تعديل واستكشاف الأخطاء وإصلاحها في إعداد العينات نتف الريش
اختيار الاستنساخ المتجهات. على الرغم من أن المخطط العام الموصوفة هنا (الشكل 3) لا يتطلب ناقلات الاستنساخ خاص، ويفضل متجه ليس لديهم T7 جوهري أو T3 …
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by an NSF grant (MCB-1054449) and a collaborative interdisciplinary Pilot Research Program award from The RNA Institute at University at Albany to PTXL.
Minitweezers | Steven B. Smith Engineering | http://tweezerslab.unipr.it | |
Data acquisition card | National Instruments | USB-6351 | |
Video card | National Instruments | PCI-1407 | |
Labview programming software | National Instruments | ||
NI Vision Builder | National Instruments | ||
Laser engraver | Epilogue laser systems | Zing-16 | |
PCR purification kit | Qiagen | 28104 | |
MEGAscript T7 kit | Life Technologies | AM1334 | |
MEGAclear kit | Life Technologies | AM1908 | |
Biotin-11-UTP | Thermo Fisher | FERR0081 | |
T4 DNA polymerase | New England Labs | M0203 | |
Streptavidin coated microsphere | Spherotech | SVP-20-5 | |
Antidigoxigenin coated microsphere | Spherotech | DIGP-20-2 | |
Size standard microspheres | Spherotech | PPS-6K | |
Kapton tape | Kaptontape.com | KPPTDE-1 | |
No. 2 cover glass | Thermo Fisher | 12-543D |