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Seguimiento de partículas individuales

Principio de seguimiento de partículas individuales: los rectángulos representan fotogramas de una adquisición de imágenes en los momentos t  = 0, 1, 2, ... Las partículas rastreadas se representan como círculos rojos y, en el último fotograma, las trayectorias reconstruidas se muestran como líneas azules.

El seguimiento de partículas individuales ( SPT ) es la observación del movimiento de partículas individuales dentro de un medio. La serie temporal de coordenadas, que puede ser bidimensional ( x , y ) o tridimensional ( x , y , z ), se denomina trayectoria . La trayectoria se analiza normalmente utilizando métodos estadísticos para extraer información sobre la dinámica subyacente de la partícula. [1] [2] [3] Estas dinámicas pueden revelar información sobre el tipo de transporte que se observa (por ejemplo, térmico o activo), el medio en el que se mueve la partícula y las interacciones con otras partículas. En el caso del movimiento aleatorio, el análisis de la trayectoria se puede utilizar para medir el coeficiente de difusión .

Aplicaciones

En las ciencias de la vida, el seguimiento de partículas individuales se utiliza ampliamente para cuantificar la dinámica de moléculas/proteínas en células vivas (de bacterias, levaduras, células de mamíferos y embriones vivos de Drosophila ). [4] [5] [6] [7] [8] Se ha utilizado ampliamente para estudiar la dinámica de los factores de transcripción en células vivas. [9] [10] [11] Este método se ha utilizado ampliamente en la última década para comprender el mecanismo de búsqueda de objetivos de las proteínas en células vivas. Aborda cuestiones biológicas fundamentales como, por ejemplo, ¿cómo una proteína de interés encuentra su objetivo en el complejo entorno celular? ¿Cuánto tiempo tarda en encontrar su sitio objetivo para la unión? ¿Cuál es el tiempo de residencia de las proteínas que se unen al ADN? [5] Recientemente, la SPT se ha utilizado para estudiar la cinética de la traducción y el procesamiento de proteínas in vivo. Para las moléculas que se unen a estructuras grandes como los ribosomas, la SPT se puede utilizar para extraer información sobre la cinética de la unión. A medida que la unión de ribosomas aumenta el tamaño efectivo de la molécula más pequeña, la tasa de difusión disminuye tras la unión. Al monitorear estos cambios en el comportamiento de difusión, se obtienen mediciones directas de eventos de unión. [12] [13] Además, las partículas exógenas se emplean como sondas para evaluar las propiedades mecánicas del medio, una técnica conocida como microrreología pasiva . [14] Esta técnica se ha aplicado para investigar el movimiento de lípidos y proteínas dentro de las membranas, [15] [16] moléculas en el núcleo [8] y el citoplasma, [17] orgánulos y moléculas en ellos, [18] gránulos lipídicos, [19] [20] [21] vesículas y partículas introducidas en el citoplasma o el núcleo. Además, el seguimiento de partículas individuales se ha utilizado ampliamente en el estudio de bicapas lipídicas reconstituidas, [22] difusión intermitente entre fases 3D y 2D (p. ej., una membrana) [23] o 1D (p. ej., un polímero de ADN) y redes de actina enredadas sintéticas. [24] [25]

Métodos

El tipo más común de partículas utilizadas en el seguimiento de partículas individuales se basa en dispersores , como perlas de poliestireno o nanopartículas de oro que se pueden rastrear utilizando iluminación de campo brillante, o partículas fluorescentes . Para las etiquetas fluorescentes , existen muchas opciones diferentes con sus propias ventajas y desventajas, incluidos los puntos cuánticos , las proteínas fluorescentes , los fluoróforos orgánicos y los colorantes de cianina.

En un nivel fundamental, una vez obtenidas las imágenes, el seguimiento de partículas individuales es un proceso de dos pasos. Primero se detectan las partículas y luego se conectan las diferentes partículas localizadas para obtener trayectorias individuales.

Además de realizar el seguimiento de partículas en 2D, existen varias modalidades de imágenes para el seguimiento de partículas en 3D, incluida la microscopía de plano multifocal , [26] la microscopía de función de dispersión de puntos de doble hélice, [27] y la introducción de astigmatismo a través de una lente cilíndrica u óptica adaptativa.

Difusión browniana

Véase también

Referencias

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