Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время основными методами, позволяющими определять молекулярную структуру клеточных белков и отдельных элементов клетки, таких как микрофиламенты, микротрубочки и молекулярные моторы, являются рентгенографические и спектроскопические методы исследований. Однако знание только структуры клеточных элементов не позволяет понять такие динамические процессы, как перенос веществ внутри и между клетками, деление, передвижение и изменения формы клетки. Для того чтобы изучать и понимать эти процессы, необходимы динамические методы, которые позволили бы определить силы, действующие на клеточные элементы и определяющие их динамику. Такие силы возникают на молекулярном уровне и имеют величину порядка нескольких пиконьютонов. Межмолекулярные силы определяют не только физические свойства твердьж тел, жидкостей и газов, а также играют важную роль в самоорганизации биологических объектов [1]. Природу биомолекулярньж взаимодействий, участвующих в организации живых организмов, определяет набор слабьж, нековалентных межмолекулярньж сил [2]. Так, динамику цитоскелега клетки, а, следовательно, и изменения формы, ориентации и направления движения клетки можно описать, если известны все межмолекулярные силы. Знание сил, возникающих между молекулами и биомолекулярными образованиями в клетке, позволяет раскрыть природу таких процессов, как деление, изменение формы и ориентации, рост, передвижение, самоорганизацию клетки, процессов транскрипции и трансляции ДНК, а также процессов, связанных с переносом органелл и молекул внутри клетки. В настоящее время активно разрабатываются динамические методы для определения межмолекулярньж взаимодействий. Использование оптического твизера [3] для исследования биологических объектов является наиболее перспективным методом, так как позволяет изучать объекты, находящиеся в растворах, гелях или даже в живой клетке, не повреждая ее. Оптический твизер позволяет не только получать количественные и качественные характеристики межмолекулярньж взаимодействий в
|
К>С. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА
описанных выше процессах, но и управлять этими процессами [3]. Новый оптический твизер опробован в экспериментах по исследованию взаимодействия молекулярньж моторов с микротрубочкой.
Взаимодействию отдельного молекулярного мотора с микротрубочкой позволило определить силу, с которой мотор действует на микротрубочку, время и размер отдельного шага мотора [4,5]. Однако в клетке с одной микротрубочкой могут взаимодействовать несколько молекулярньж моторов и представляет интерес изучение взаимодействия группы моторов с микротрубочкой или актиновым филаментом. Использование оптического твизера исследовать влияние силы, приложенной к мотору под разными углами, на скорость его передвижения, определить влияние возникающих заторов в движении моторов на скорость их перемещения вдоль микротрубочки, исследовать эффект синхронизации в движении молекулярньж моторов, связанньж с микротрубочкой [6]. Новые применения системам открывает развитие нанотехнологий, основанньж на биологических молекулах, которые способны передвигаться и перемещать вещества в заданном направлении: нано-машины, основанные на молекулярньж моторах, которые взаимодействуют с микрофиламентами и микротрубочками, передвигаясь вдоль них [7].
Некоторые возможности методики продемонстрированы с помощью компьютерного моделирования. Все вышесказанное свидетельствует о том, что системы, основанные на молекулярньж моторах и микротрубочках, уже сейчас имеют применения на практике и большие перспективы в будущем, и, следовательно, исследование таких систем является актуальной задачей. Цель диссертационной работы
1. Провести комплексный анализ влияния технических параметров оптического твизера, динамических свойств исследуемого объекта и параметров окружающей исследуемый объект среды на точность экспериментально получаемых данных. Провести анализ влияния величения температуры исследуемого объекта и
окружающего его раствора из-за абсорбции света объектом на способность оптической ловушки удерживать этот объект.
Спроектировать новый оптический твизер с расширенными возможностями. Произвести калибровку оптического твизера для разных размеров частиц, в конфигурациях твизера с оптической ловушкой, образованной одним сфокусированным лучом и двумя встречными лучами. Измерить другие важные характеристики оптической ловушки оптического твизера.
Показать возможность применения оптического твизера для исследования различных объектов.
Разработать новый метод исследования взаимодействия молекулярньж моторов с микротрубочкой с помощью оптического твизера. Провести теоретическое и экспериментальное исследование взаимодействия молекулярньж моторов с микротрубочкой.
Научная новизна и практическая ценность работы
Впервые представлен и реализован на практике оптический твизер, позволяющий работать как с оптической ловушкой, образованной одним сфокусированным лучом, так и с оптической ловушкой, образованной двумя встречными лучами. Предлагаемый оптический твизер позволяет манипулировать исследуемыми объектами и визуально наблюдать их одновременно.
Разработан новый метод с использованием оптического твизера для исследования взаимодействия молекулярньж моторов с микротрубочкой. Метод позволяет исследовать динамические свойства молекулярньж моторов и микротрубочки, исследовать процессы синхронизации при движении группы моторов вдоль микротрубочки, оценить силы, возникающие при воздействии молекулярньж моторов на микротрубочку, получить значения скоростей при перемещении молекулярньж моторов вдоль микротрубочки и их зависимости от величины и направления внешней нагрузки, приложенной к молекулярным моторам.
Основные положения, выносимые на защиту
Устройство нового оптического твизера и принцип его работы.
Экспериментально полученные характеристики оптического твизера:
калибровочные кривые - зависимость силы, с которой частицы разного диаметра удерживаются в оптической ловушке, от мощности лазерного луча, в случае оптической ловушки, образованной одним сфокусированным лучом и двумя встречными лучами;
устойчивость и радиус действия оптической ловушки;
экспериментальное подтверждение возможности исследования разных объектов с помощью предлагаемого оптического твизера.
Результаты теоретического и экспериментального исследования взаимодействия молекулярных моторов с микротрубочкой.
Результаты компьютерного эксперимента с использованием оптического твизера для определения свойств взаимодействия молекулярных моторов с микротрубочкой.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 6 печатных работах.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она включает в себя 129 страниц текста, 26 рисунков, 3 таблицы. Список цитированной литературы содержит 84 наименования.
