了解生命過(guò)程的分子機(jī)制是預(yù)防和治療癌癥等各種疾病的關(guān)鍵。磁鑷單分子操縱系統(tǒng)是當(dāng)今流行的單分子操縱設(shè)備之一，可以對(duì)單個(gè)生物大分子進(jìn)行力學(xué)操縱并實(shí)時(shí)高精度測(cè)量其構(gòu)象變化的性質(zhì)。

磁鑷技術(shù)

磁鑷（Magnetic Tweezers），是一種利用超順磁球?qū)ι锎蠓肿舆M(jìn)行力學(xué)操縱的技術(shù)。bioPSI磁鑷單分子操縱系統(tǒng)是一款商業(yè)化的獨(dú)立儀器，包括Olympus的高端研究型倒置式顯微鏡、對(duì)單分子操縱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的照明和自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)、以及磁鑷技術(shù)所具有的獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。整個(gè)磁鑷系統(tǒng)在集成的計(jì)算機(jī)軟件的控制下，可以方便的進(jìn)行單分子力學(xué)響應(yīng)、構(gòu)象轉(zhuǎn)變的測(cè)量。

原理

超順磁球在磁場(chǎng)中會(huì)被磁化并具有一定的能量，如果磁場(chǎng)是非均勻的，磁化的超順磁球會(huì)受到磁場(chǎng)梯度的方向的力的作用。通過(guò)控制外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度和梯度，可以控制磁球上受到的拉力的大小。磁鑷可以施加的拉力范圍從0到數(shù)百皮牛頓（pico Newton）。

在測(cè)量方面，通過(guò)對(duì)磁球的顯微圖像分析，可以得到所研究的分子的伸長(zhǎng)的信息，達(dá)到納米級(jí)別的精度。通過(guò)高速相機(jī)來(lái)采集磁球的的顯微圖像，時(shí)間分辨率可以達(dá)到毫秒級(jí)別。

主要技術(shù)特點(diǎn)：

?   單分子操縱

?   恒定拉力控制

?   毫秒級(jí)別時(shí)間分辨率

?   穩(wěn)定性：對(duì)單分子數(shù)小時(shí)到數(shù)天的連續(xù)測(cè)量

?   可擴(kuò)展性：可以結(jié)合商業(yè)倒置顯微鏡的各種功能，如熒光成像等

?   高性?xún)r(jià)比

bioPSI磁鑷單分子操縱系統(tǒng)

bioPSI磁鑷單分子操縱系統(tǒng)作為一個(gè)高度靈活的單分子檢測(cè)儀器，其商業(yè)化的研究型倒置顯微鏡平臺(tái)給用戶(hù)定制和個(gè)性化需求提供了多重選擇。

?   通過(guò)增加轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙螺旋DNA的扭轉(zhuǎn)與超螺旋研究

?   通過(guò)改變磁鐵的尺寸，實(shí)現(xiàn)不同范圍內(nèi)拉力的高精度標(biāo)定與控制

?   通過(guò)不同的磁鐵設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)分子拉伸的高精度測(cè)量和分子扭轉(zhuǎn)的高精度測(cè)量

?   商業(yè)化研究型倒置顯微鏡可以對(duì)光學(xué)路徑進(jìn)行方便的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)不同的實(shí)驗(yàn)要求

?   可以與各種熒光顯微鏡，如共聚焦、全內(nèi)反射等結(jié)合使用

bioPSI磁鑷單分子操縱系統(tǒng)與其他單分子操縱系統(tǒng)對(duì)比優(yōu)勢(shì)：

?   與AFM力譜技術(shù)對(duì)比：bioPSI磁鑷可以實(shí)現(xiàn)更高精度的拉力控制，無(wú)需反饋系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)恒定外力測(cè)量，無(wú)機(jī)械漂移，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定測(cè)量。

?   與AFS力譜技術(shù)對(duì)比：磁鑷樣品制備簡(jiǎn)單，每次采用新的蓋玻片組裝實(shí)驗(yàn)用的微流腔，杜絕交叉污染。bioPSI磁鑷可以實(shí)現(xiàn)更高精度的拉力控制，無(wú)需反饋系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)恒定外力測(cè)量。

?   與光鑷對(duì)比：系統(tǒng)穩(wěn)定性更強(qiáng)，bioPSI磁鑷可以實(shí)現(xiàn)更高精度的拉力控制，無(wú)需反饋系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)恒定外力測(cè)量。系統(tǒng)維護(hù)工作簡(jiǎn)單，無(wú)需專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行定期維護(hù)。對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境無(wú)特殊要求。

?   與其他磁鑷系統(tǒng)對(duì)比：bioPSI磁鑷基于高端研究型倒置顯微鏡，特殊的照明和磁鐵設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)更大的拉力范圍。易于擴(kuò)展。獨(dú)特的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)漂移長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量。

磁鑷單分子操縱系統(tǒng)的應(yīng)用

?   蛋白質(zhì)折疊

?   高分子彈性

?   DNA、RNA穩(wěn)定性與動(dòng)力學(xué)

?   分子間相互作用

高精度力學(xué)及長(zhǎng)度測(cè)量

不同于光鑷和原子力顯微鏡等其他單分子操控技術(shù)，磁鑷是直接控制施加到所研究的分子上的拉力的大小。并且可以根據(jù)磁球的熱運(yùn)動(dòng)直接對(duì)拉力進(jìn)行標(biāo)定。在已知磁鐵和其磁場(chǎng)的性質(zhì)的情況下，一兩分鐘就可以對(duì)不同磁球的拉力進(jìn)行準(zhǔn)確的標(biāo)定，誤差小于10%。

在使用高倍數(shù)油鏡的情況下，我們改進(jìn)了磁鑷的照明系統(tǒng)，使得磁球的顯微圖像對(duì)焦平面的變化非常敏感，可以實(shí)現(xiàn)小于2納米的伸長(zhǎng)測(cè)量精度。

高數(shù)據(jù)量的去折疊力的測(cè)量（DNA G4結(jié)構(gòu)的測(cè)量）

同樣得益于bioPSI磁鑷單分子操控系統(tǒng)的超級(jí)穩(wěn)定性，如果所研究的分子在拉力減小或去除時(shí)可以重新回復(fù)到初始狀態(tài)，我們就可以重復(fù)對(duì)其進(jìn)行多次循環(huán)的測(cè)量。這樣在一個(gè)分子上就可以得到幾百次甚至更多的測(cè)量數(shù)據(jù)，這對(duì)于統(tǒng)計(jì)分析是非常重要和便利的。

不同于光鑷和原子力顯微鏡等其他單分子操控技術(shù)，磁鑷是直接控制施加到所研究的分子上的拉力的大小。并且可以根據(jù)磁球的熱運(yùn)動(dòng)直接對(duì)拉力進(jìn)行標(biāo)定。在已知磁鐵和其磁場(chǎng)的性質(zhì)的情況下，一兩分鐘就可以對(duì)不同磁球的拉力進(jìn)行準(zhǔn)確的標(biāo)定，誤差小于10%。

在使用高倍數(shù)油鏡的情況下，我們改進(jìn)了磁鑷的照明系統(tǒng)，使得磁球的顯微圖像對(duì)焦平面的變化非常敏感，可以實(shí)現(xiàn)小于2納米的伸長(zhǎng)測(cè)量精度。

bioPSI磁鑷單分子操控系統(tǒng)的外力控制和伸長(zhǎng)測(cè)量系統(tǒng)完全獨(dú)立，并輔以獨(dú)特的自動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)，可以對(duì)單個(gè)分子進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)，甚至若干天的連續(xù)測(cè)量。

圖中所示數(shù)據(jù)是對(duì)I27蛋白質(zhì)進(jìn)行的8個(gè)小時(shí)的平衡態(tài)折疊與去折疊的磁鑷實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，所用的拉力是4.5皮牛。傳統(tǒng)的原子力顯微鏡技術(shù)由于機(jī)械漂移方面的限制，只能在幾秒中內(nèi)完成測(cè)量，所得到的拉力經(jīng)常到200皮牛，由于原子力顯微鏡的測(cè)量是遠(yuǎn)離平衡態(tài)的，所以很多向小力平衡態(tài)情況的外推是錯(cuò)誤的。而磁鑷的直接測(cè)量可以得到精確的結(jié)果。

DNA與蛋白質(zhì)相互作用的動(dòng)態(tài)測(cè)量

對(duì)于DNA，可以是雙鏈B-DNA，也可以是單鏈DNA，都具有特定的彈性性質(zhì)與伸長(zhǎng)。當(dāng)其與蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)，復(fù)合物的彈性性質(zhì)和伸長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化。磁鑷不僅可以測(cè)量穩(wěn)定的DNA-蛋白質(zhì)的復(fù)合物的彈性性質(zhì)，也可以測(cè)量其相互結(jié)合或解離的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

bioPSI磁鑷單分子操縱系統(tǒng)的規(guī)格參數(shù)：

?   長(zhǎng)度測(cè)量分辨率：小于2納米

?   拉力校準(zhǔn)精度：小于10%

?   拉力范圍：對(duì)于2.8微米直徑順磁球，拉力零到上百皮牛

?   工作穩(wěn)定性：?jiǎn)畏肿訙y(cè)量大于8小時(shí)

?   測(cè)量采樣率：大于100赫茲，樣品容許情況下可以?xún)?yōu)化到500赫茲

?   磁鐵位置控制精度：小于5微米

?   磁鐵旋轉(zhuǎn)控制精度：小于0.1度

bioPSI磁鑷單分子操縱系統(tǒng)基本配置：

?   研究級(jí)倒置顯微鏡，100X油鏡

?   閉環(huán)壓電陶瓷物鏡控制器

?   高速CCD相機(jī)

?   高精度電動(dòng)平動(dòng)平臺(tái)

?   高精度電動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)（可選）

?   磁鑷系統(tǒng)控制器

?   集成控制系統(tǒng)：實(shí)時(shí)操控、數(shù)據(jù)采集與分析