stringtranslate.com

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, se emplean partículas exógenas 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 entrelazadas 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

  1. ^ Metzler, Ralf; Jeon, Jae-Hyung; Cherstvy, Andrey G.; Barkai, Eli (2014). "Modelos de difusión anómalos y sus propiedades: no estacionariedad, no ergodicidad y envejecimiento en el centenario del seguimiento de partículas individuales". 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). "Una revisión del progreso en el seguimiento de partículas individuales: desde los métodos hasta los conocimientos biofísicos". Informes sobre el progreso en física . 78 (12): 124601. Bibcode :2015RPPh...78l4601M. doi :10.1088/0034-4885/78/12/124601. ISSN  0034-4885. PMID  26511974. S2CID  25691993.
  3. ^ Anthony, Stephen; Zhang, Liangfang; Granick, Steve (2006). "Métodos para rastrear trayectorias de moléculas individuales". Langmuir . 22 (12): 5266–5272. doi :10.1021/la060244i. ISSN  0743-7463. PMID  16732651.
  4. ^ Höfling, Felix; Franosch, Thomas (12 de marzo de 2013). "Transporte anómalo en el abarrotado mundo de las células biológicas". Informes sobre el progreso en física . 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 de noviembre de 2021). "Imágenes in vivo de moléculas individuales en levadura: aplicaciones y desafíos". Revista de biología molecular . 433 (22): 167250. doi :10.1016/j.jmb.2021.167250. PMID  34537238. S2CID  237573437.
  6. ^ Barkai, Eli; Garini, Yuval; Metzler, Ralf (2012). "Cinética extraña de moléculas individuales en células vivas". Physics Today . 65 (8): 29–35. Bibcode :2012PhT....65h..29B. doi :10.1063/pt.3.1677. ISSN  0031-9228.
  7. ^ 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.), "Imágenes de moléculas individuales en embriones vivos mediante microscopía de lámina de luz reticular", Imágenes a nanoescala: métodos y protocolos , Métodos en biología molecular, vol. 1814, Nueva York: Springer, págs. 541–559, doi :10.1007/978-1-4939-8591-3_32, ISBN 978-1-4939-8591-3, PMC6225527  , PMID29956254​ ​
  8. ^ ab Ball, David A.; Mehta, Gunjan D.; Salomon-Kent, Ronit; Mazza, Davide; Morisaki, Tatsuya; Mueller, Florian; McNally, James G.; Karpova, Tatiana S. (diciembre de 2016). "El seguimiento de una sola molécula de Ace1p en Saccharomyces cerevisiae define un tiempo de residencia característico para interacciones no específicas de factores de transcripción con cromatina". 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. (6 de diciembre de 2018). "El análisis de una sola molécula revela ciclos vinculados de remodelación de cromatina de RSC y unión del factor de transcripción Ace1p en levadura". Molecular Cell . 72 (5): 875–887.e9. doi :10.1016/j.molcel.2018.09.009. ISSN  1097-2765. PMC 6289719 . PMID  30318444. 
  10. ^ Morisaki, Tatsuya; Müller, Waltraud G.; Golob, Nicole; Mazza, Davide; McNally, James G. (18 de julio de 2014). "Análisis de moléculas individuales de la unión de factores de transcripción en sitios de transcripción en células vivas". 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. (1 de julio de 2017). "Cuantificación de la dinámica de unión de factores de transcripción a nivel de molécula única en células vivas". Métodos . El nucleoma 4D. 123 : 76–88. doi :10.1016/j.ymeth.2017.03.014. hdl :11336/64420. ISSN  1046-2023. PMC 5522764 . PMID  28315485. 
  12. ^ Volkov, Ivan L.; Lindén, Martin; Aguirre Rivera, Javier; Ieong, Ka-Weng; Metelev, Mikhail; Elf, Johan; Johansson, Magnus (junio de 2018). "Seguimiento de ARNt para mediciones directas de la cinética de síntesis de proteínas en células vivas". Nature Chemical Biology . 14 (6): 618–626. doi :10.1038/s41589-018-0063-y. ISSN  1552-4469. PMC 6124642 ​​. PMID  29769736. 
  13. ^ Metelev, Mikhail; Volkov, Ivan L.; Lundin, Erik; Gynnå, Arvid H.; Elf, Johan; Johansson, Magnus (12 de octubre de 2020). "Medidas directas de la cinética de traducción del ARNm en células vivas". 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). "Microrreología de seguimiento de partículas en células vivas: principios y aplicaciones". Revista anual de biofísica . 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). "Seguimiento de partículas individuales: aplicaciones a la dinámica de membranas". Revisión anual de biofísica y estructura biomolecular . 26 : 373–399. doi :10.1146/annurev.biophys.26.1.373. PMID  9241424.
  16. ^ Krapf, Diego (2015), "Mecanismos subyacentes a la difusión anómala en la membrana plasmática", Lipid Domains , Temas actuales en membranas, vol. 75, Elsevier, págs. 167-207, doi :10.1016/bs.ctm.2015.03.002, ISBN 9780128032954, PMID  26015283, S2CID  34712482 , consultado el 20 de agosto de 2018
  17. ^ Golding, Ido (2006). "Naturaleza física del citoplasma bacteriano". Physical Review Letters . 96 (9): 098102. Bibcode :2006PhRvL..96i8102G. doi :10.1103/PhysRevLett.96.098102. PMID  16606319.
  18. ^ Nixon-Abell, Jonathon; Obara, Christopher J.; Weigel, Aubrey V.; Li, Dong; Legante, Wesley R.; Xu, C. Shan; Pasolli, H. Amalia; Harvey, Kirsten; Hess, Harald F. (28 de octubre de 2016). "El aumento de la resolución espaciotemporal revela matrices tubulares densas altamente dinámicas en el RE periférico". Ciencia . 354 (6311): aaf3928. doi : 10.1126/ciencia.aaf3928. ISSN  0036-8075. PMC 6528812 . PMID  27789813. 
  19. ^ Tolić-Nørrelykke, Iva Marija (2004). "Difusión anómala en células de levadura vivas". Physical Review Letters . 93 (7): 078102. Bibcode :2004PhRvL..93g8102T. doi :10.1103/PhysRevLett.93.078102. PMID  15324280. S2CID  2544882.
  20. ^ Jeon, Jae-Hyung (2011). "Difusión anómala in vivo y rotura de gránulos lipídicos por ergodicidad débil". Physical Review Letters . 106 (4): 048103. arXiv : 1010.0347 . Código Bibliográfico :2011PhRvL.106d8103J. doi :10.1103/PhysRevLett.106.048103. PMID  21405366. S2CID  1049771.
  21. ^ Chen, Yu; Rees, Thomas W; Ji, Liangnian; Chao, Hui (2018). "Seguimiento de la dinámica mitocondrial con complejos de iridio (III)". Current Opinion in Chemical Biology . 43 : 51–57. doi : 10.1016/j.cbpa.2017.11.006 . ISSN  1367-5931. PMID  29175532.
  22. ^ Knight, Jefferson D.; Falke, Joseph J. (2009). "Estudios de fluorescencia de moléculas individuales de un dominio PH: nuevos conocimientos sobre la reacción de acoplamiento de membrana". Revista biofísica . 96 (2): 566–582. Código Bibliográfico :2009BpJ....96..566K. doi :10.1016/j.bpj.2008.10.020. ISSN  0006-3495. PMC 2716689 . PMID  19167305. 
  23. ^ Campagnola, gracia; Nepal, Kanti; Schroder, Bryce W.; Peersen, Olve B.; Krapf, Diego (7 de diciembre de 2015). "Movimiento superdifusivo de dominios C2 dirigidos a membrana". Informes científicos . 5 (1): 17721. arXiv : 1506.03795 . Código Bib : 2015NatSR...517721C. doi :10.1038/srep17721. ISSN  2045-2322. PMC 4671060 . PMID  26639944. 
  24. ^ Wong, IY (2004). "La difusión anómala investiga la dinámica de la microestructura de las redes de F-actina entrelazadas". Physical Review Letters . 92 (17): 178101. Bibcode :2004PhRvL..92q8101W. doi :10.1103/PhysRevLett.92.178101. PMID  15169197. S2CID  16461939.
  25. ^ Wang, Bo; Anthony, Stephen M.; Bae, Sung Chul; Granick, Steve (8 de septiembre de 2009). "Anómalo pero browniano". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 106 (36): 15160–15164. Bibcode :2009PNAS..10615160W. doi : 10.1073/pnas.0903554106 . PMC 2776241 . PMID  19666495. 
  26. ^ Ram, Sripad; Prabhat, Prashant; Chao, Jerry; Sally Ward, E.; Ober, Raimund J. (2008). "Microscopía cuántica tridimensional de plano dotifocal de alta precisión para el estudio de dinámicas intracelulares rápidas en células vivas". 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). "Precisión de localización tridimensional de la función de dispersión de puntos de doble hélice frente al astigmatismo y el biplano". Applied Physics Letters . 97 (16): 161103. Bibcode :2010ApPhL..97p1103B. doi :10.1063/1.3499652. PMC 2980550 . PMID  21079725. 

Enlaces externos