Short Review : Probing Mechanical Properties of Individual Molecules with Atomic Force Spectroscopy

Marszałek, P. E.

doi:10.5604/01.3001.0013.0182

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Short Review : Probing Mechanical Properties of Individual Molecules with Atomic Force Spectroscopy

Autorzy

Marszałek P. E.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0013.0182

Warianty tytułu

Krótki artykuł przeglądowy : badania mechanicznych właściwości pojedynczych cząsteczek przy pomocy spektroskopii sił atomowych

Języki publikacji

Abstrakty

In this short review I will first concisely describe the principles of single-molecule force spectroscopy (SMFS) for measuring the mechanical properties of individual polymeric molecules, as implemented on an Atomic Force Microscope (AFM) platform. Next, I will review a selected number of the most striking, in my opinion, discoveries and observations accumulated in this field of research that now spans over 25 years of dynamic growth. This selection will be limited to biomolecular systems such as DNA and polysaccharides (sugars) that for the last two decades were an important part of my own research. The mechanical properties of single protein molecules are described by the author or other researchers in numerous original or review papers that can be found in the world literature.

W niniejszym krótkim artykule przeglądowym, na początku zwięźle opiszę zasady spektroskopii siłowej do badania mechanicznych właściwości pojedynczych cząsteczek przy użyciu mikroskopu sił atomowych. Następnie, omówię najważniejsze, moim zdaniem, odkrycia i obserwacje w tej tematyce, która rozwija się niezwykle dynamicznie przez ostatnie ponad 25 lat. W tej krótkiej pracy skupię się wyłącznie na omówieniu zastosowania spektroskopii siłowej do analizy właściwości elastycznych biopolimerów, takich jak DNA i polisacharydy, których badaniom poświęciłem istotną część mojej pracy naukowej w ostatnich dwóch dekadach. Omówienie mechaniki pojedynczych cząsteczek białek czytelnik może znaleźć w innych oryginalnych lub przeglądowych pracach autora jak również innych badaczy, które dostępne są w literaturze światowej.

Słowa kluczowe

Atomic Force Microscopy Single Molecule Force Spectroscopy Nanomechanics Polymer elasticity Biopolymers

Mikroskopia Sił Atomowych Spektroskopia siłowa pojedynczych cząsteczek biopolimery nanomechanika

Wydawca

Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Elektrotechniki

Czasopismo

Prace Instytutu Elektrotechniki

Rocznik

2018

Tom

Z. 280

Strony

7--24

Opis fizyczny

Bibliogr. 35 poz., rys., wykr., wz.

Twórcy

autor

Marszałek P. E.

pemar@duke.edu

Department of Mechanical Engineering and Materials Science, Duke University, Durham, North Carolina, 27708, USA

Bibliografia

1. Ashkin A. and Dziedzic J. M.: “Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria”, Science, 235 (4795), 1987, pp. 1517-1520.
2. Ashkin A., Dziedzic J. M., and Yamane T.: “Optical trapping and manipulation of single cells using infrared-laser beams”, Nature, 330 (6150), 1987, pp.769-771.
3. Binnig G., Quate C. F., & Gerber C.: “Atomic force microscope”, Phys Rev Lett, 56 (9), 1986, pp. 930-933.
4. Hansma P. K.: “Molecular Mechanics of Single Molecules”, Structure, 14 (3), 2006, pp. 390-391.
5. Puchner E. M. and Gaub H. E. “Force and function: probing proteins with AFM-based force spectroscopy”, Curr. Opin. Struct. Biol., 19 (5), 2009, pp. 605-614.
6. Fisher T. E., Marszalek P. E., and Fernandez J. M.: “Stretching single molecules into novel conformations using the atomic force microscope”, Nature Structural & Molecular Biology, 7 (9), 2000, pp. 719-724.
7. Dufrene Y. F., et al.: “Five challenges to bringing single-molecule force spectroscopy into living cells”, Nat. Meth. 8 (2), 2011, pp. 123-127.
8. Marszalek P. E. and Dufrene Y. F.: “Stretching single polysaccharides and proteins using atomic force microscopy”, Chem. Soc. Rev., 41 (9), 2012, pp. 3523-3534.
9. Smith S. B., Finzi L., and Bustamante C.: “Direct Mechanical Measurements of the Elasticity of Single DNA-Molecules by Using Magnetic Beads”, Science, 258 (5085), 1992, pp. 1122-1126.
10. Popa I., et al.: “A HaloTag Anchored Ruler for Week-Long Studies of Protein Dynamics”, Journal of the American Chemical Society, 138 (33), 2016, pp. 10546-10553.
11. Florin E. L., et al.: “Sensing Specific Molecular-Interactions with the Atomic-Force Microscope”, Biosensors & Bioelectronics, 10 (9-10), 1995, pp. 895-901.
12. Walder R., et al.: “Rapid Characterization of a Mechanically Labile α-helical Protein Enabled by Efficient Site-Specific Bioconjugation”, Journal of the American Chemical Society, 2017.
13. Bustamante C.: “Entropic elasticity of [lambda]-phage DNA”, Science 265, 1994, pp. 1599-1600.
14. Smith S. B., Cui Y. J., and Bustamante C.: “Overstretching B-DNA: The elastic response of individual double-stranded and single-stranded DNA molecules”, Science, 271 (5250), 1996, pp. 795-799.
15. Cluzel P., et al.: “DNA: An extensible molecule”, Science, 271 (5250), 1996, pp. 792-794.
16. Rief M., Clausen-Schaumann H., and Gaub H. E.: “Sequence-dependent mechanics of single DNA molecules”, Nat Struct Biol, 6 (4), 1999, pp. 346-349.
17. Ke C., Humeniuk M., S-Gracz H., and Marszalek P. E.: “Direct Measurements of Base Stacking Interactions in DNA by Single-Molecule Atomic-Force Spectroscopy”, Physical Review Letters, 99 (1), 2007, pp. 018302-018304.
18. Scholl Z. N., et al.: “Origin of Overstretching Transitions in Single-Stranded Nucleic Acids”, Physical Review Letters, 111 (18), 2013, p. 188302.
19. Bustamante C., Bryant Z., & Smith S. B.: “Ten years of tension: single-molecule DNA mechanics”, Nature 421 (6921), 2003, pp. 423-427.
20. Rief M., Oesterhelt F., Heymann B., and Gaub H. E.: “Single Molecule Force Spectroscopy on Polysaccharides by Atomic Force Microscopy”, Science, 275 (5304), 1997, pp. 1295-1297.
21. Marszalek P. E., Oberhauser A. F., Pang Y. P., and Fernandez J. M.: “Polysaccharide elasticity governed by chair-boat transitions of the glucopyranose ring”, Nature, 396 (6712), 1998, pp. 661-664.
22. Li H. B., et al.: “Single-molecule force spectroscopy on polysaccharides by AFM − nanomechanical fingerprint of alpha-(1,4)-linked polysaccharides”, Chem. Phys. Lett., 305 (3-4), 1999, pp. 197-201.
23. Marszalek P. E., et al.: “Atomic levers control pyranose ring conformations”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96 (14), 1999, pp. 7894-7898.
24. Marszalek P. E., Li H. B., and Fernandez J. M.: “Fingerprinting polysaccharides with single-molecule atomic force microscopy”, Nature Biotechnology, 19 (3), 2001, pp. 258-262.
25. Lee G., Nowak W., Jaroniec J., Zhang Q., and Marszalek P. E.: “Nanomechanical control of glucopyranose rotamers”, Journal of the American Chemical Society, 126 (20), 2004, pp. 6218-6219.
26. Lee G., Nowak W., Jaroniec J., Zhang Q., and Marszalek P. E.: “Molecular Dynamics Simulations of Forced Conformational Transitions in 1,6-Linked Polysaccharides”, Biophysical Journal, 87 (3), 2004, pp. 1456-1465.
27. Lee W., Zeng X., Yang W., and Marszalek P. E.: “Mechanics of Polysaccharides”, Molecular Manipulation with Atomic Force Microscopy, ed.: Anne-Sophie Duwez NW (CRC Press, Boca Raton London New York), 2012.
28. Lu Z., Hu H., Yang W., and Marszalek P. E.: “Simulating Force-Induced Conformational Transitions in Polysaccharides with the SMD Replica Exchange Method”, Biophys. J., 91 (6), 2006, pp. L57-59.
29. Lu Z., Nowak W., Lee G., Marszalek P. E., and Yang W.: “Elastic Properties of Single Amylose Chains in Water: A Quantum Mechanical and AFM Study”, Journal of the American Chemical Society, 126 (29), 2004, pp. 9033-9041.
30. Marszalek P. E., Li H. B., Oberhauser A. F., and Fernandez J. M.: “Chair-boat transitions in single polysaccharide molecules observed with force-ramp AFM”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99 (7), 2002, pp. 4278-4283.
31. Scholl Z. N., Li Q., and Marszalek P. E.: “Single molecule mechanical manipulation for studying biological properties of proteins, DNA, and sugars”, WIREs Nanomedicine and Nanobiotechnology, 2, 2013.
32. Zhang Q., Lu Z., Hu H., Yang W., and Marszalek P. E.: “Direct Detection of the Formation of V-Amylose Helix by Single Molecule Force Spectroscopy”. J. Am. Chem. Soc., 128 (29), 2006, pp. 9387-9393.
33. Zhang Q. and Marszalek P. E.: “Identification of Sugar Isomers by Single-Molecule Force Spectroscopy”, J. Am. Chem. Soc., 128 (17), 2006, pp. 5596-5597.
34. Zhang Q. and Marszalek P. E.: “Solvent effects on the elasticity of polysaccharide molecules in disordered and ordered states by single-molecule force spectroscopy”, Polymer, 47 (7), 2006, pp. 2526-2532.
35. Zhang Q. M., Lee G. R., and Marszalek P. E.: “Atomic cranks and levers control sugar ring conformations”, Journal of Physics-Condensed Matter, 17 (18), 2005, pp. S1427-S1442.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-af18065e-1c83-46a2-9a9a-c12001021c7a