Отслеживание одиночных частиц
АлиАламерр
Принцип отслеживания отдельных частиц: прямоугольники представляют собой кадры, полученные при получении изображения в моменты времени t  = 0, 1, 2, ... Отслеживаемые частицы представлены в виде красных кругов, а на последнем кадре реконструированные траектории показаны в виде синих линий.

Отслеживание отдельных частиц ( SPT ) — это наблюдение за движением отдельных частиц в среде. Временной ряд координат, который может быть как в двух измерениях ( x , y ), так и в трех измерениях ( x , y , z ), называется траекторией . Траектория обычно анализируется с использованием статистических методов для извлечения информации о базовой динамике частицы. [1] [2] [3] Эта динамика может раскрыть информацию о типе наблюдаемого переноса (например, тепловой или активный), среде, в которой движется частица, и взаимодействиях с другими частицами. В случае случайного движения анализ траектории может быть использован для измерения коэффициента диффузии .

Приложения

В науках о жизни отслеживание отдельных частиц широко используется для количественной оценки динамики молекул/белков в живых клетках (бактерий, дрожжей, клеток млекопитающих и живых эмбрионов дрозофилы ). [4] [5] [6] [7] [8] Он широко использовался для изучения динамики факторов транскрипции в живых клетках. [9] [10] [11] Этот метод широко использовался в последнее десятилетие для понимания механизма поиска мишеней белками в живых клетках. Он решает фундаментальные биологические вопросы, такие как: как интересующий белок находит свою мишень в сложной клеточной среде? сколько времени требуется, чтобы найти свой целевой сайт для связывания? каково время пребывания белков, связывающихся с ДНК? [5] В последнее время SPT использовался для изучения кинетики трансляции и обработки белков in vivo. Для молекул, которые связывают большие структуры, такие как рибосомы, SPT можно использовать для извлечения информации о кинетике связывания. Поскольку связывание рибосом увеличивает эффективный размер меньшей молекулы, скорость диффузии уменьшается при связывании. Мониторинг этих изменений в поведении диффузии позволяет получить прямые измерения событий связывания. [12] [13] Кроме того, экзогенные частицы используются в качестве зондов для оценки механических свойств среды, метод, известный как пассивная микрореология . [14] Этот метод применялся для исследования движения липидов и белков внутри мембран, [15] [16] молекул в ядре [8] и цитоплазме, [17] органелл и молекул в них, [18] липидных гранул, [19] [20] [21] везикул и частиц, введенных в цитоплазму или ядро. Кроме того, отслеживание отдельных частиц широко использовалось при изучении восстановленных липидных бислоев, [22] прерывистой диффузии между 3D и либо 2D (например, мембрана) [23] или 1D (например, полимер ДНК) фазами, а также синтетических запутанных актиновых сетей. [24] [25]

Методы

Наиболее распространенный тип частиц, используемых в отслеживании отдельных частиц, основан либо на рассеивателях , таких как полистирольные шарики или золотые наночастицы , которые можно отслеживать с помощью яркого освещения, либо на флуоресцентных частицах. Для флуоресцентных меток существует множество различных вариантов со своими преимуществами и недостатками, включая квантовые точки , флуоресцентные белки , органические флуорофоры и цианиновые красители.

На фундаментальном уровне, как только получены изображения, отслеживание отдельных частиц представляет собой двухэтапный процесс. Сначала частицы обнаруживаются, а затем локализованные различные частицы соединяются для получения индивидуальных траекторий.

Помимо отслеживания частиц в 2D, существует несколько методов визуализации для отслеживания частиц в 3D, включая микроскопию мультифокальной плоскости , [26] микроскопию с функцией рассеяния точки двойной спирали [27] и введение астигматизма с помощью цилиндрической линзы или адаптивной оптики.

Броуновская диффузия

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Метцлер, Ральф; Чон, Джэ-Хён; Черствый, Андрей Г.; Баркай, Эли (2014). «Модели аномальной диффузии и их свойства: нестационарность, неэргодичность и старение в столетие отслеживания отдельных частиц». Phys. Chem. Chem. Phys . 16 (44): 24128– 24164. Bibcode :2014PCCP...1624128M. doi : 10.1039/c4cp03465a . ISSN  1463-9076. PMID  25297814.
  2. ^ Manzo, Carlo; Garcia-Parajo, Maria F (29.10.2015). «Обзор прогресса в отслеживании одиночных частиц: от методов к биофизическим идеям». Reports on Progress in Physics . 78 (12): 124601. Bibcode :2015RPPh...78l4601M. doi :10.1088/0034-4885/78/12/124601. ISSN  0034-4885. PMID  26511974. S2CID  25691993.
  3. ^ Энтони, Стивен; Чжан, Лянфан; Граник, Стив (2006). «Методы отслеживания траекторий одиночных молекул». Langmuir . 22 (12): 5266– 5272. doi :10.1021/la060244i. ISSN  0743-7463. PMID  16732651.
  4. ^ Хёфлинг, Феликс; Франош, Томас (2013-03-12). «Аномальный транспорт в переполненном мире биологических клеток». Reports on Progress in Physics . 76 (4): 046602. arXiv : 1301.6990 . Bibcode : 2013RPPh...76d6602H. doi : 10.1088/0034-4885/76/4/046602. ISSN  0034-4885. PMID  23481518. S2CID  40921598.
  5. ^ ab Podh, Nitesh Kumar; Paliwal, Sheetal; Dey, Partha; Das, Ayan; Morjaria, Shruti; Mehta, Gunjan (5 ноября 2021 г.). "In vivo Single-Molecule Imaging in Yeast: Applications and Challenges". Журнал молекулярной биологии . 433 (22): 167250. doi : 10.1016/j.jmb.2021.167250. PMID  34537238. S2CID  237573437.
  6. ^ Баркай, Эли; Гарини, Ювал; Мецлер, Ральф (2012). «Странная кинетика отдельных молекул в живых клетках». Physics Today . 65 (8): 29– 35. Bibcode : 2012PhT....65h..29B. doi : 10.1063/pt.3.1677. ISSN  0031-9228.
  7. ^ Мир, Мустафа; Реймер, Армандо; Штадлер, Майкл; Тангара, Астоу; Хансен, Андерс С.; Хоккемейер, Дирк; Эйзен, Майкл Б.; Гарсия, Эрнан; Дарзак, Ксавье (2018), Любченко, Юрий Л. (ред.), «Визуализация отдельных молекул в живых эмбрионах с использованием микроскопии решеточного света», Наномасштабная визуализация: методы и протоколы , Методы в молекулярной биологии, т. 1814, Нью-Йорк: Springer, стр.  541–559 , doi :10.1007/978-1-4939-8591-3_32, ISBN 978-1-4939-8591-3, PMC  6225527 , PMID  29956254
  8. ^ ab Ball, David A.; Mehta, Gunjan D.; Salomon-Kent, Ronit; Mazza, Davide; Morisaki, Tatsuya; Mueller, Florian; McNally, James G.; Karpova, Tatiana S. (декабрь 2016 г.). "Отслеживание одиночной молекулы Ace1p в Saccharomyces cerevisiae определяет характерное время пребывания для неспецифических взаимодействий факторов транскрипции с хроматином". Nucleic Acids Research . 44 (21): e160. doi :10.1093/nar/gkw744. ISSN  0305-1048. PMC 5137432 . PMID  27566148. 
  9. ^ Mehta, Gunjan D.; Ball, David A.; Eriksson, Peter R.; Chereji, Razvan V.; Clark, David J.; McNally, James G.; Karpova, Tatiana S. (2018-12-06). «Анализ отдельных молекул выявляет связанные циклы ремоделирования хроматина RSC и связывания фактора транскрипции Ace1p в дрожжах». Molecular Cell . 72 (5): 875–887.e9. doi :10.1016/j.molcel.2018.09.009. ISSN  1097-2765. PMC 6289719 . PMID  30318444. 
  10. ^ Морисаки, Тацуя; Мюллер, Вальтрауд Г.; Голоб, Николь; Мацца, Давиде; Макналли, Джеймс Г. (2014-07-18). "Анализ одиночных молекул связывания факторов транскрипции на сайтах транскрипции в живых клетках". Nature Communications . 5 (1): 4456. Bibcode :2014NatCo...5.4456M. doi :10.1038/ncomms5456. ISSN  2041-1723. PMC 4144071 . PMID  25034201. 
  11. ^ Presman, Diego M.; Ball, David A.; Paakinaho, Ville; Grimm, Jonathan B.; Lavis, Luke D.; Karpova, Tatiana S.; Hager, Gordon L. (2017-07-01). "Количественная оценка динамики связывания факторов транскрипции на уровне одиночных молекул в живых клетках". Методы . 4D Nucleome. 123 : 76–88 . doi : 10.1016/j.ymeth.2017.03.014. hdl : 11336/64420. ISSN  1046-2023. PMC 5522764. PMID 28315485  . 
  12. ^ Волков, Иван Л.; Линден, Мартин; Агирре Ривера, Хавьер; Ионг, Ка-Венг; Метелев, Михаил; Эльф, Йохан; Йоханссон, Магнус (июнь 2018 г.). «отслеживание тРНК для прямых измерений кинетики синтеза белка в живых клетках». Nature Chemical Biology . 14 (6): 618– 626. doi :10.1038/s41589-018-0063-y. ISSN  1552-4469. PMC 6124642 ​​. PMID  29769736. 
  13. ^ Метелев, Михаил; Волков, Иван Л.; Лундин, Эрик; Гинна, Арвид Х.; Эльф, Йохан; Йоханссон, Магнус (2020-10-12). "Прямые измерения кинетики трансляции мРНК в живых клетках". Nature Communications . 13 (1): 1852. bioRxiv 10.1101/2020.10.12.335505 . doi :10.1038/s41467-022-29515-x. PMC 8986856 . PMID  35388013. S2CID  222803093.  
  14. ^ Wirtz, Denis (2009). «Микрореология отслеживания частиц в живых клетках: принципы и применение». Annual Review of Biophysics . 38 (1): 301–326 . CiteSeerX 10.1.1.295.9645 . doi :10.1146/annurev.biophys.050708.133724. ISSN  1936-122X. PMID  19416071. 
  15. ^ Saxton, Michael J.; Jacobson, Ken (1997). «Отслеживание одиночных частиц: применение в динамике мембран». Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure . 26 : 373–399 . doi :10.1146/annurev.biophys.26.1.373. PMID  9241424.
  16. ^ Крапф, Диего (2015), «Механизмы, лежащие в основе аномальной диффузии в плазматической мембране», Липидные домены , Текущие темы в мембранах, т. 75, Elsevier, стр.  167–207 , doi :10.1016/bs.ctm.2015.03.002, ISBN 9780128032954, PMID  26015283, S2CID  34712482 , получено 2018-08-20
  17. ^ Голдинг, Идо (2006). «Физическая природа бактериальной цитоплазмы». Physical Review Letters . 96 (9): 098102. Bibcode : 2006PhRvL..96i8102G. doi : 10.1103/PhysRevLett.96.098102. PMID  16606319.
  18. ^ Никсон-Абелл, Джонатон; Обара, Кристофер Дж.; Вайгель, Обри В.; Ли, Донг; Легант, Уэсли Р.; Сюй, К. Шан; Пасолли, Х. Амалия; Харви, Кирстен; Хесс, Харальд Ф. (28 октября 2016 г.). «Повышенное пространственно-временное разрешение выявляет высокодинамичные плотные трубчатые матрицы в периферическом ER». Наука . 354 (6311): ааф3928. doi : 10.1126/science.aaf3928. ISSN  0036-8075. ПМК 6528812 . ПМИД  27789813. 
  19. ^ Толич-Нёрреликке, Ива Мария (2004). «Аномальная диффузия в живых дрожжевых клетках». Physical Review Letters . 93 (7): 078102. Bibcode : 2004PhRvL..93g8102T. doi : 10.1103/PhysRevLett.93.078102. PMID  15324280. S2CID  2544882.
  20. ^ Jeon, Jae-Hyung (2011). "In Vivo Anomalous Diffusion and Weak Ergodicity Breaking of Lipid Granules". Physical Review Letters . 106 (4): 048103. arXiv : 1010.0347 . Bibcode : 2011PhRvL.106d8103J. doi : 10.1103/PhysRevLett.106.048103. PMID  21405366. S2CID  1049771.
  21. ^ Чен, Ю; Риз, Томас В; Цзи, Ляннянь; Чао, Хуэй (2018). «Отслеживание динамики митохондрий с помощью комплексов иридия (III)». Current Opinion in Chemical Biology . 43 : 51–57 . doi : 10.1016/j.cbpa.2017.11.006 . ISSN  1367-5931. PMID  29175532.
  22. ^ Найт, Джефферсон Д.; Фальке, Джозеф Дж. (2009). «Исследования флуоресценции отдельных молекул домена PH: новые идеи о реакции стыковки с мембраной». Biophysical Journal . 96 (2): 566– 582. Bibcode :2009BpJ....96..566K. doi :10.1016/j.bpj.2008.10.020. ISSN  0006-3495. PMC 2716689 . PMID  19167305. 
  23. ^ Кампаньола, Грейс; Непал, Канти; Шредер, Брайс В.; Пирсен, Ольве Б.; Крапф, Диего (07 декабря 2015 г.). «Супердиффузионное движение мембранных доменов C2». Научные отчеты . 5 (1): 17721. arXiv : 1506.03795 . Бибкод : 2015NatSR...517721C. дои : 10.1038/srep17721. ISSN  2045-2322. ПМК 4671060 . ПМИД  26639944. 
  24. ^ Вонг, И.Ю. (2004). «Аномальная диффузия зондирует микроструктурную динамику запутанных сетей F-актина». Physical Review Letters . 92 (17): 178101. Bibcode : 2004PhRvL..92q8101W. doi : 10.1103/PhysRevLett.92.178101. PMID  15169197. S2CID  16461939.
  25. ^ Ван, Бо; Энтони, Стивен М.; Бэ, Сунг Чул; Граник, Стив (2009-09-08). «Аномальное, но броуновское». Труды Национальной академии наук . 106 (36): 15160– 15164. Bibcode : 2009PNAS..10615160W . doi : 10.1073/pnas.0903554106 . PMC 2776241. PMID  19666495. 
  26. ^ Рам, Шрипад; Прабхат, Прашант; Чао, Джерри; Салли Уорд, Э.; Обер, Раймунд Дж. (2008). «Высокоточная 3D квантовая микроскопия с дотифокальной плоскостью для изучения быстрой внутриклеточной динамики в живых клетках». Biophysical Journal . 95 (12): 6025– 6043. Bibcode :2008BpJ....95.6025R. doi :10.1529/biophysj.108.140392. PMC 2599831 . PMID  18835896. 
  27. ^ Badieirostami, M.; Lew, MD; Thompson, MA; Moerner, WE (2010). «Точность трехмерной локализации функции рассеяния точки двойной спирали в зависимости от астигматизма и биплана». Applied Physics Letters . 97 (16): 161103. Bibcode :2010ApPhL..97p1103B. doi :10.1063/1.3499652. PMC 2980550 . PMID  21079725. 
  • ТрекМейт
  • U-образный трек
  • Метод двойной спирали PSF (Андор)
  • Примеры моделируемых или экспериментальных траекторий одиночных частиц
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Отслеживание_отдельных_частиц&oldid=1188562867"