상수 강제 축 방향 광학 족집게로 DNA의 짧은 시퀀스를 스트레칭
Summary
우리는 짧은 DNA 분자의 기계적 성질을 탐험 할 수있는 일정한 힘을 축 광 핀셋의 사용을 보여줍니다. 축 방향으로 DNA를 스트레칭함으로써, 우리는 우리 ~ 100 nm의 짧은으로 DNA 분자를 연구 할 수 있습니다 steric hindrances 및 종래의 측면 조작하여 발생하는 유물을 최소화합니다.
Abstract
이하 kilobase보다 윤곽 길이의 DNA에 이르는위한 단일 분자 기술은 실험 어려움이 따른다 있습니다. 그러나, 이러한 히스톤 구속력과 DNA 1,2의 단백질로 인한 루핑 등 여러 흥미로운 생물학적 이벤트가,이 길이 규모 발생합니다. 최근에는 DNA의 기계적 성질은 소형 nucleosomes와 염색질 섬유 3,4로 DNA의 패키징과 같은 기본적인 세포 과정에 중요한 역할을하는 표시되었습니다. 분명 DNA의 짧은 뻗어의 기계적 성질을 이해 한 후 중요합니다. 이 논문에서, 우리는 몇 백 basepairs 짧은 등의 윤곽 길이와 DNA의 기계적 동작을 연구 개발 한 단일 분자 광 tweezing 기술에 실질적인 가이드를 제공합니다.
DNA의 짧은 세그먼트를 스트레칭의 주요 장애물은 기존의 광 핀셋은 일반적으로 directio에 힘을 적용하도록 설계되어 있습니다N 무대 5,6에 측면 (그림을 참조하십시오. 1). 이 구조에서, 구슬과 coverslip 사이의 각도는, 그 DNA가 묶여있다하기 위해, submicron의 길이 DNA 매우 가파른됩니다. 축 위치는 현재 확장 가까이 coverslip에 microsphere를 끌 때문에, steric 효과가 향상되고 도전이 될 수있는 차지, 그리고해야합니다. 또한, 마이크로의 비대칭의 결과로, 측면 확장 생성합니다 확장 중에 반응성 힘 변화의 방향부터 광학 트랩 내에 인해 microsphere의 회전에 토크의 수준을 변화.
스트레칭 submicron의 DNA에 대한 대체 방법은 자신의 고유 한 장애물에 반대하는 실행합니다. 예를 들어, 듀얼 빔 광학 트랩이되는 두 트랩 사이 마이크로 사이의 빛의 분산에서 포인트 간섭 효과 큰 문제를 일으킬하기 시작, 파장 주위의 DNA에 이르는으로 제한됩니다. 트랩 중 하나를 교체micropipette으로 가능성이 가장 높은 유사한 문제로 고통 것입니다. 사람이 직접 DNA을 향상시킬 수있는 축 잠재력을 사용할 수 있지만, 적극적인 피드백 체계는 일정한 힘이의 대역폭은 특히 낮은 힘에서 매우 제한됩니다를 적용 할 필요됩니다.
우리는 직접 일정한 힘을 축 광학 핀셋 7,8를 사용하여 coverslip에서 떨어져 DNA를 당겨 이러한 근본적인 문제를 회피. 이 문제는 광학 힘이 일정한 힘있는이 레이저 파워를 조정하여 조정 될 수 있습니다 광학 가능성 선형 지역의 구슬을 수집에 의해 달성된다. 선형 영역 내에 트래핑은 또한 축 방향으로 약 350 나노 미터에 대한 확장 DNA에 모든 광학 힘 – 클램프 역할을합니다. coverslip에 붙어 참조 microsphere가 동일한 위치와 초점에 남아 있도록 동시에 정교하게 무대의 위치를 조정하여 열 및 기계적 드리프트 보상거의 무한 관찰 기간 동안 llowing.
Protocol
Discussion
종래의 광 핀셋은 refractile 개체에 일정한 힘을 적용하는 중 아날로그 또는 컴퓨터 제어의 의견에 의존하고 있습니다. 이러한 적극적인 피드백 시스템은 단백질의 바인딩에서 DNA 또는 필라멘트를 따라 분자 모터의 급속한 스테핑으로, 예를 들어, 어려움 표본의 확장의 급격한 변화가 발생할 조건 하에서 수행되어 있습니다. 일정한 힘을 적용하기위한 다양한 수동 방법이 최근 개발되었습니다. base…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 축 광학 핀셋과 관련하여 도움이이 원고에게 스트레칭 데이터의 일부를 기여를위한 Dr Yih-팬 첸 감사드립니다. 이 작품은 NSF 부여 PHY-0957293 및 FOCUS 부여 PHY-0114336 후원했다.
Materials
| Reagent/Equipment | Company | Catalog number | Comments |
|---|---|---|---|
| Nd:YVO4 laser | Spectra Physics | T40-Z-106C | |
| Acousto-optic deflector |
IntraAction | DTD-274HA6 | |
| Microscope Objective | Olympus | PlanApo | 60X, NA 1.4 |
| Piezo stage | Mad City Labs | Nano-LP100 | XYZ stage |
| CCD camera | PixeLink | PL-A741 | |
| Photodetector | Electro-Optics Tech |
ET-3020 | |
| Polystyrene Beads | Spherotech | SVP-08-10 | 800nm, streptavidin coated |
| Anti-digoxigenin | Roche | 11333089001 | From sheep |
| Primers | MWG operon | Custom oligos | One primer: biotin Other : digoxigenin |
| PCR reagents | New England Biolabs |
TAQ polymerase, dNTPs |
|
| Coverglass | Fisher Scientific | ||
| Other chemicals for buffer |
Fisher Scientific |
Supplementary Materials
A. Hydrodynamic Friction Coefficient
For determining the hydrodynamic friction coefficient of the microsphere near a surface one can use the following expansion5,10:
where the following shorthand has been introduced:
The friction coefficient is defined in terms of the fluid viscosity η and the radius of the microsphere, with the microsphere’s center located a distance η above the surface. The summation converges reasonably well when expanded to about ten terms.
B. Influence of Axial Position on Stiffness Calibration
The calibration of the trap stiffness involves a tradeoff between the accuracy of the calibration, which increases with increasing distance from the surface, and the actual axial position where the trap is used experimentally. In general, the trap is calibrated at around 800-1000 nm from the surface, which is higher than the actual experimental condition.
C. Modified Worm-Like Chain (WLC) Model
The force extension curves can be fit to a modified WLC model that accounts for volume exclusion effects at zero optical force as follows:
where Fopt is the optical force, xo is a fit parameter for the zero force extension,xopt is the extension under force, l is the contour length of the DNA, and l*p is a second fit parameter for an “effective” persistence length. Fwlc is given by the usual WLC model11
where ε is the relative DNA extension.
References
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