Sledování jedné částice - Single-particle tracking - Wikipedia

Princip sledování jedné částice: Obdélníky někdy představují snímky ze získávání obrazu t = 0, 1, 2, ... Sledované částice jsou reprezentovány červenými kruhy a v posledním snímku jsou rekonstruované trajektorie zobrazeny jako modré čáry

Sledování jedné částice (SPT) je pozorování pohybu jednotlivých částic v médiu. Souřadnice časové řady, které mohou být buď ve dvou rozměrech (X, y) nebo ve třech rozměrech (X, y, z), se označuje jako a trajektorie. Trajektorie se obvykle analyzuje pomocí statistických metod k získání informací o základní dynamice částice.[1][2][3] Tato dynamika může odhalit informace o typu transportu, který je pozorován (např. Tepelný nebo aktivní), médiu, kde se částice pohybuje, a interakcích s jinými částicemi. V případě náhodného pohybu lze k měření použít analýzu trajektorie koeficient difúze.

Aplikace

V biologických vědách se sledování jedné částice široce používá ke kvantifikaci dynamiky molekul / proteinů v živých buňkách (bakterií, kvasinek, savčích buněk a živých buněk). Drosophila embrya).[4][5][6][7] To bylo značně používáno ke studiu dynamiky transkripčních faktorů v živých buňkách.[8][9][10] Kromě toho se exogenní částice používají jako sondy k hodnocení mechanických vlastností média, což je technika známá jako pasivní mikroreologie.[11] Tato technika byla použita ke zkoumání pohybu lipidů a proteinů v membránách,[12][13] molekuly v jádře [14] a cytoplazma,[15] organely a molekuly v nich,[16] lipidové granule,[17][18][19] vezikuly a částice zavedené do cytoplazmy nebo jádra. Při studiu rekonstituovaných lipidových dvojvrstev bylo navíc značně používáno sledování jednotlivých částic[20] přerušovaná difúze mezi 3D a 2D (např. membrána) [21] nebo 1D (např. DNA polymer) fáze a syntetické zapletené aktinové sítě.[22][23]

Metody

Nejběžnější typ částic používaných při sledování jednotlivých částic je založen buď na rozptylovače, jako jsou polystyrenové korálky nebo zlato nanočástice které lze sledovat pomocí osvětlení jasného pole, nebo fluorescenční částice. Pro fluorescenční značky, existuje mnoho různých možností s vlastními výhodami a nevýhodami, včetně kvantové tečky, fluorescenční proteiny, organické fluorofory a kyaninová barviva.

Na základní úrovni je po získání obrazů sledování jedné částice dvoustupňový proces. Nejprve jsou detekovány částice a poté jsou spojeny lokalizované různé částice, aby se získaly jednotlivé trajektorie.

Kromě provádění sledování částic ve 2D existuje několik způsobů zobrazování pro 3D sledování částic, včetně multifokální rovinová mikroskopie,[24] mikroskopie s dvojitou spirálovou funkcí šíření bodu,[25] a zavedení astigmatismu pomocí válcové čočky nebo adaptivní optiky.

Brownova difúze

Hlavní článek: Brownův pohyb

Viz také

Reference

  1. ^ Metzler, Ralf; Jeon, Jae-Hyung; Cherstvy, Andrey G .; Barkai, Eli (2014). „Anomální difúzní modely a jejich vlastnosti: nestacionarita, neergodicita a stárnutí při stém výročí sledování jednotlivých částic“. 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 (2015-10-29). "Přehled pokroku ve sledování jednotlivých částic: od metod k biofyzikálním poznatkům". Zprávy o pokroku ve fyzice. 78 (12): 124601. Bibcode:2015RPPh ... 78l4601M. doi:10.1088/0034-4885/78/12/124601. ISSN  0034-4885. PMID  26511974.
  3. ^ Anthony, Stephen; Zhang, Liangfang; Granick, Steve (2006). "Metody pro sledování jedno molekulárních trajektorií". Langmuir. 22 (12): 5266–5272. doi:10.1021 / la060244i. ISSN  0743-7463. PMID  16732651.
  4. ^ Höfling, Felix; Franosch, Thomas (12. 3. 2013). „Anomální transport v přeplněném světě biologických buněk“. Zprávy o pokroku ve fyzice. 76 (4): 046602. arXiv:1301.6990. Bibcode:2013RPPh ... 76d6602H. doi:10.1088/0034-4885/76/4/046602. ISSN  0034-4885. PMID  23481518.
  5. ^ Barkai, Eli; Garini, Yuval; Metzler, Ralf (2012). "Zvláštní kinetika jednotlivých molekul v živých buňkách". Fyzika dnes. 65 (8): 29–35. Bibcode:2012PhT .... 65h..29B. doi:10.1063 / pt.3.1677. ISSN  0031-9228.
  6. ^ Mir, Mustafa; Reimer, Armando; Stadler, Michael; Tangara, Astou; Hansen, Anders S .; Hockemeyer, Dirk; Eisen, Michael B .; Garcia, Hernan; Darzacq, Xavier (2018), Lyubchenko, Yuri L. (ed.), „Single Molecule Imaging in Live Embryos using Lattice Light-Sheet Microscopy“, Nanoscale Imaging: Methods and Protocols, Metody v molekulární biologii, Springer New York, 1814, str. 541–559, doi:10.1007/978-1-4939-8591-3_32, ISBN  978-1-4939-8591-3, PMC  6225527, PMID  29956254
  7. ^ Ball, David A .; Mehta, Gunjan D .; Salomon-Kent, Ronit; Mazza, Davide; Morisaki, Tatsuya; Mueller, Florian; McNally, James G .; Karpova, Tatiana S. (2016-12-01). „Sledování jedné molekuly Ace1p v Saccharomyces cerevisiae definuje charakteristickou dobu zdržení pro nespecifické interakce transkripčních faktorů s chromatinem“. Výzkum nukleových kyselin. 44 (21): e160. doi:10.1093 / nar / gkw744. ISSN  0305-1048. PMC  5137432. PMID  27566148.
  8. ^ Mehta, Gunjan D .; Ball, David A .; Eriksson, Peter R .; Chereji, Razvan V .; Clark, David J .; McNally, James G .; Karpova, Tatiana S. (06.12.2018). „Analýza jedné molekuly odhaluje spojené cykly remodelace chromatinu RSC a vazby transkripčních faktorů Ace1p v kvasnicích“. Molekulární buňka. 72 (5): 875–887.e9. doi:10.1016 / j.molcel.2018.09.009. ISSN  1097-2765. PMC  6289719. PMID  30318444.
  9. ^ Morisaki, Tatsuya; Müller, Waltraud G .; Golob, Nicole; Mazza, Davide; McNally, James G. (2014-07-18). „Analýza jedné molekuly vazby transkripčního faktoru na transkripční místa v živých buňkách“. Příroda komunikace. 5 (1): 4456. Bibcode:2014NatCo ... 5,4456 mil. doi:10.1038 / ncomms5456. ISSN  2041-1723. PMC  4144071. PMID  25034201.
  10. ^ Presman, Diego M .; Ball, David A .; Paakinaho, Ville; Grimm, Jonathan B .; Lavis, Luke D .; Karpova, Tatiana S .; Hager, Gordon L. (01.07.2017). „Kvantifikace dynamiky vazby transkripčního faktoru na úrovni jedné molekuly v živých buňkách“. Metody. 4D Nucleome. 123: 76–88. doi:10.1016 / j.ymeth.2017.03.014. hdl:11336/64420. ISSN  1046-2023. PMC  5522764. PMID  28315485.
  11. ^ Wirtz, Denis (2009). „Mikrorheologie sledující částice živých buněk: principy a aplikace“. Roční přehled biofyziky. 38 (1): 301–326. CiteSeerX  10.1.1.295.9645. doi:10.1146 / annurev.biophys.050708.133724. ISSN  1936-122X. PMID  19416071.
  12. ^ Saxton, Michael J; Jacobson, Ken (1997). "Sledování jedné částice: aplikace pro membránovou dynamiku". Roční přehled biofyziky a biomolekulární struktury. 26: 373–399. doi:10,1146 / annurev.biophys.26.1.373. PMID  9241424.
  13. ^ Krapf, Diego (2015), "Mechanismy, které jsou základem anomální difúze v plazmové membráně", Lipidové doményAktuální témata v oblasti membrán, 75, Elsevier, s. 167–207, doi:10.1016 / bs.ctm.2015.03.002, ISBN  9780128032954, PMID  26015283, vyvoláno 2018-08-20
  14. ^ Ball, D. A; Mehta, G. D; Salomon-Kent, R; Mazza, D; Morisaki, T; Mueller, F; McNally, J. G; Karpova, T. S (2016). „Sledování jedné molekuly Ace1p v Saccharomyces cerevisiae definuje charakteristickou dobu zdržení pro nespecifické interakce transkripčních faktorů s chromatinem“. Výzkum nukleových kyselin. 44 (21): e160. doi:10.1093 / nar / gkw744. PMC  5137432. PMID  27566148.
  15. ^ Golding, Ido (2006). "Fyzikální podstata bakteriální cytoplazmy". Dopisy o fyzické kontrole. 96 (9): 098102. Bibcode:2006PhRvL..96i8102G. doi:10.1103 / PhysRevLett.96.098102. PMID  16606319.
  16. ^ Nixon-Abell, Jonathon; Obara, Christopher J .; Weigel, Aubrey V .; Li, Dong; Legant, Wesley R .; Xu, C. Shan; Pasolli, H. Amalia; Harvey, Kirsten; Hess, Harald F. (2016-10-28). „Zvýšené časoprostorové rozlišení odhaluje vysoce dynamické husté trubicové matice v periferní ER“. Věda. 354 (6311): aaf3928. doi:10.1126 / science.aaf3928. ISSN  0036-8075. PMC  6528812. PMID  27789813.
  17. ^ Tolić-Nørrelykke, Iva Marija (2004). „Anomální difúze v živých buňkách kvasinek“. Dopisy o fyzické kontrole. 93 (7): 078102. Bibcode:2004PhRvL..93g8102T. doi:10.1103 / PhysRevLett.93.078102. PMID  15324280.
  18. ^ Jeon, Jae-Hyung (2011). "In Vivo Anomální difúze a slabé erodičnosti lámání lipidových granulí". Dopisy o fyzické kontrole. 106 (4): 048103. arXiv:1010.0347. Bibcode:2011PhRvL.106d8103J. doi:10.1103 / PhysRevLett.106.048103. PMID  21405366.
  19. ^ Chen, Yu; Rees, Thomas W; Ji, Liangnian; Chao, Hui (2018). "Sledování mitochondriální dynamiky s komplexy iridia (III)". Aktuální názor na chemickou biologii. 43: 51–57. doi:10.1016 / j.cbpa.2017.11.006. ISSN  1367-5931. PMID  29175532.
  20. ^ Knight, Jefferson D .; Falke, Joseph J. (2009). „Jednomolekulární fluorescenční studie domény PH: Nové poznatky o dokovací reakci membrány“. Biofyzikální deník. 96 (2): 566–582. Bibcode:2009BpJ .... 96..566K. doi:10.1016 / j.bpj.2008.10.020. ISSN  0006-3495. PMC  2716689. PMID  19167305.
  21. ^ Campagnola, Grace; Nepál, Kanti; Schroder, Bryce W .; Peersen, Olve B .; Krapf, Diego (07.12.2015). „Superdifuzivní pohyb domén C2 zaměřených na membránu“. Vědecké zprávy. 5 (1): 17721. arXiv:1506.03795. Bibcode:2015NatSR ... 517721C. doi:10.1038 / srep17721. ISSN  2045-2322. PMC  4671060. PMID  26639944.
  22. ^ Wong, I.Y. (2004). „Anomální difúzní sondy Dynamika mikrostruktury zapletených sítí F-aktinů“. Dopisy o fyzické kontrole. 92 (17): 178101. Bibcode:2004PhRvL..92q8101W. doi:10.1103 / PhysRevLett.92.178101. PMID  15169197.
  23. ^ Wang, Bo; Anthony, Stephen M .; Bae, Sung Chul; Granick, Steve (08.09.2009). „Anomální ještě Brownian“. Sborník Národní akademie věd. 106 (36): 15160–15164. Bibcode:2009PNAS..10615160W. doi:10.1073 / pnas.0903554106. PMC  2776241. PMID  19666495.
  24. ^ Ram, Sripad; Prabhat, Prashant; Chao, Jerry; Sally Ward, E .; Ober, Raimund J. (2008). „Vysoce přesná 3D kvantová dotifokální rovinová mikroskopie pro studium rychlé intracelulární dynamiky v živých buňkách“. Biofyzikální deník. 95 (12): 6025–6043. Bibcode:2008BpJ .... 95.6025R. doi:10.1529 / biophysj.108.140392. PMC  2599831. PMID  18835896.
  25. ^ Badieirostami, M .; Lew, M. D .; Thompson, M. A .; Moerner, W. E. (2010). „Přesnost trojrozměrné lokalizace funkce šíření dvoušroubovicových bodů versus astigmatismus a dvojplošník“. Aplikovaná fyzikální písmena. 97 (16): 161103. Bibcode:2010ApPhL..97p1103B. doi:10.1063/1.3499652. PMC  2980550. PMID  21079725.

externí odkazy