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# 生物学# 生物物理学

単分子力スペクトロスコピーの進展

新しいキャリブレーション方法で生体分子の研究精度が向上。

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目次

単一分子力分光法(SMFS)は、科学者が生物分子が力をかけられたときにどう振る舞うかを研究するための技術だよ。この方法は、タンパク質の働き方、DNAのメカニクス、分子間の相互作用、タンパク質の折りたたみ方などのプロセスに関する重要な情報を明らかにすることができるんだ。

SMFSを使うときの科学者の大きな課題の一つは、非常に小さな力、しばしばピコニュートン(pN)以下の力を測定することなんだ。この小さな力は、タンパク質間の特定の相互作用や形状の小さな変化を観察するために重要で、細胞の動きや発展など、さまざまな生物学的機能を理解するのに欠かせないんだ。

磁気ツイーザーの利点

磁気ツイーザー(MTs)は、光学ツイーザーや原子間力顕微鏡などの他の方法と比べていくつかの利点を持つSMFSツールの一種だよ。MTsは約0.01から100 pNの範囲の力を正確に測定できるんだ。特に低い力の測定が得意で、研究者が一度に多くの分子を研究できるようにしてくれる。この能力が重要なのは、一つの実験で十分なデータを得たり、まれな出来事を観察したり、異なる条件をテストしたりするのを助けてくれるからなんだ。

MTsのもう一つの大きな利点は、常に調整することなく一定の力を維持できることだよ。これが長期測定にとっては良いんだ。また、MTsは熱を発生させることもなく、サンプルにダメージを与えることもないから、長時間にわたって安定した読み取りが可能なんだ。いろんなマグネットのセットアップも、研究者が研究している分子のねじれ運動を制御したり監視したりするのを助けるよ。

磁気ツイーザーの仕組み

MTのセットアップでは、研究対象の分子が表面と小さな磁気ビーズの間に取り付けられるんだ。外部の磁石がビーズに力を加え、その力が分子に影響を与えるんだ。高解像度のカメラが広い範囲の画像をキャッチして、多くのビーズを同時に追跡しながら一定の力を加えることができる。

正確な測定を得るためには、これらの実験で加えられる力をキャリブレートすることが重要だよ。最も一般的なキャリブレーション方法は、熱的レベルでのビーズのランダムな動きを利用することなんだ。この方法は、動きのエネルギーを加えられた力に結び付けて、他の方法よりも正確な結果を提供するんだ。

キャリブレーションのプロセス

キャリブレーションのプロセスは、ビーズの動きをキャッチすることから始まるんだ。よく使われるのは長いDNAの鎖で、これはよく知られた特性を持っているからだよ。低い力のとき、加えられる力とDNAがどれだけ伸びるかの関係は正確に予測できるんだ。

研究者がビーズを観察することで、どれだけ動くかを判断できるんだ。この動きは、主に二つの要因、すなわち加えられる力と溶液内のビーズの自然な熱運動の影響を受けるんだ。この動きを分析することで、ビーズが保持されているトラップの剛性を計算できるんだ。

力を測定する際の課題

MTを使って力を測定するのは、簡単ではないんだ。課題の一つは、ビーズを追跡するためのカメラが誤差を生む可能性があることだよ。もしカメラが画像をキャッチするのが遅すぎると、動きがぼやけて不正確な結果になることがあるんだ。この影響は特に高い力や短いテザーで問題になることがあるんだ。

さらに、様々な種類のノイズが測定に影響を与えることもあるよ。このノイズは、実験で使われる電子機器から来ることもあれば、サンプル自体の物理的特性から来ることもある。このノイズが信号を歪めて、信頼できる測定を得るのが難しくなるんだ。

これらの課題に対処するために、ノイズや他の歪みがデータに与える影響を補正するためのいくつかの方法が開発されているよ。これらの方法には、異なる周波数での信号の力を計算したり、データを分析するのに異なる統計的アプローチを使ったりすることが含まれているんだ。

キャリブレーション方法の最近の進展

最近、ハダマール分散(HV)と呼ばれる新しい方法が導入されたんだ。この方法は、特にノイズやドリフトに対処する際に、より正確な測定を提供する可能性があるんだ。

この新しい方法をテストする際に、研究者たちは実験設定を模倣した異なる条件をシミュレートしたんだ。彼らは、HVメソッドが安定性や精度の面でうまく機能することを発見したんだ。特に、測定が複雑になることが知られているカラーノイズの存在下で効果的だったんだ。

研究者たちは、HVメソッドを他の二つの確立された方法、すなわちパワースペクトル密度(PSD)とアラン分散(AV)と比較したんだ。彼らは、各方法がノイズやドリフトによって引き起こされるさまざまなタイプのエラーをどれだけうまく処理できるかを調べたんだ。結果は、HVメソッドが一貫性と精度のある測定を提供する点で優れていることを示していたんだ。

HVメソッドの実験的検証

条件をシミュレートした後、研究者たちは磁気ツイーザーを使って収集した実際の実験データに彼らの発見を適用したんだ。彼らは特定のDNA構造を使用し、異なる力の条件下での磁気ビーズの動きを追跡したんだ。

HVメソッドから得られた結果をPSDやAVと比較したところ、HVメソッドは力の推定において一貫して低い誤差率を示したんだ。これは、HVが実際の実験でより信頼できる結果を提供できることを示唆しているんだ。

結論と今後の方向性

HVメソッドの導入は、単一分子力分光法の分野において重要な進展を示しているんだ。ノイズやドリフトに関連する一般的な課題に対処することで、HVメソッドは生物学的実験における力の測定の精度を向上させるんだ。

この改善は、異なる条件下で生物分子の基本的な振る舞いを理解しようとしている研究者にとって重要なんだ。この方法がもっと広く使われるようになれば、分子生物学や関連分野での新しい発見につながるかもしれないんだ。

要するに、磁気ツイーザーとHVキャリブレーションメソッドを組み合わせることで、生物プロセスの複雑なメカニクスを研究する科学者にとって貴重なツールが提供されるんだ。これらの技術の継続的な洗練が、分子レベルでの生命の複雑さを明らかにする上で重要な役割を果たすだろうね。

オリジナルソース

タイトル: Accurate Drift-Invariant Single-Molecule Force Calibration Using the Hadamard Variance

概要: Single-molecule force spectroscopy (SMFS) techniques play a pivotal role in unraveling the mechanics and conformational transitions of biological macromolecules under external forces. Among these techniques, multiplexed magnetic tweezers (MTs) are particularly well suited to probe very small forces, [≤]1 pN, critical for studying non-covalent interactions and regulatory conformational changes at the single-molecule level. However, to apply and measure such small forces, a reliable and accurate force calibration procedure is crucial. Here, we introduce a new approach to calibrate MTs based on thermal motion using the Hadamard variance (HV). To test our method, we develop a bead-tether Brownian dynamics simulation that mimics our experimental system and compare the performance of the HV method against two established techniques: power spectral density (PSD) and Allan variance (AV) analyses. Our analysis includes an assessment of each methods ability to mitigate common sources of additive noise, such as white and pink noise, as well as drift, which often complicate experimental data analysis. Our findings demonstrate that the HV method exhibits overall similar or even higher precision and accuracy, yielding lower force estimation errors across a wide range of signal-to-noise ratios (SNR) and drift speeds compared to the PSD and AV methods. Notably, the HV method remains robust against drift, maintaining consistent uncertainty levels across the entire studied SNR and drift speed spectrum. We also explore the HV method using experimental MT data, where we find overall smaller force estimation errors compared to PSD and AV approaches. Overall, the HV method offers a robust method for achieving sub-pN resolution and precision in multiplexed MT measurements. Its potential extends to other SMFS techniques, presenting exciting opportunities for advancing our understanding of mechano-sensitivity and force generation in biological systems. Therefore, we provide a well-documented Python implementation of the HV method as an extension to the Tweezepy package. Statement of Signi[fi]canceSingle-molecule force spectroscopy techniques are vital for studying the mechanics and conformations of bio-macromolecules under external forces. Multiplexed magnetic tweezers (MTs) excel in applying forces [≤] 1 pN, which are critical for examining non-covalent interactions and regulatory changes at the single-molecule level. Precise and reliable force calibration is essential for these measurements. In this study, we present a new force calibration method for multiplexed MTs using Hadamard variance (HV) based on thermal motion. The HV method shows similar or even higher precision and accuracy to established techniques like power spectral density and Allan variance. Most significantly, it is drift-invariant, maintaining consistent performance across varying experimental conditions. This robustness against drift ensures reliable force application and measurements at sub-pN resolution.

著者: Jan Lipfert, S. D. Pritzl, A. Ulugol, C. Korosy, L. Filion

最終更新: 2024-06-17 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.06.17.599270

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.06.17.599270.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた biorxiv に感謝します。

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