Исследование принципов работы оптического твизера и его применений в биологии

• Автор: Крайкивский, Павел Богданович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 129 с. : ил.

• ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА 1. Примеры применения оптического твизера в биологии

1.1. Исследование взаимодействия молекулярных моторов с

микрофиламентами и микротрубочками с помощью оптического твизера

1. Свойства молекулярных моторов

2. Скорость молекулярного мотора

1.2. Выводы и постановка задачи

ГЛАВА 2. Принцип действия оптического твизера

2.1. Геометрическая оптика, Л

2.2. Рэлеевский режим, е/<Л

2.3. Световая сила в представлении теории электромагнитного

поля
• 2.4. Устройство оптического твизера
2.5. Калибровка твизера
1. Метод критической гидродинамической силы
2. Метод критической аксиальной силы
3. Определение жесткости оптической ловушки
1. Метод гидродинамической силы
2. Метод спектральной функции
3. Метод калибровки с использованием закона
равнораспределения энергии
2.6. Ограничения на точность измерения оптическим твизером
1. Теоретическая модель для рассеяния мощности лазера в
растворе
2. Тепловой шум в экспериментах с оптическим твизером
3. Реакция зонда, взаимодействующего с исследуемым
• объектом

• 2.7. Выводы и постановка задачи
ГЛАВА 3. Оптический твизер
3.1. Лазер
3.2. Мощность лазера
3.3. Оптика
3.4. Система визуализации
3.5. Настройка оптической системы твизера
3.6. Сканирование
3.7. Управление частицами оптическим твизером
3.8. Калибровка оптического твизера
ГЛАВА 4. Применение оптического твизера
4.1. Применение оптических твизеров для исследования
взаимодействия микрофиламентов и микротрубочек с молекулярными моторами
• 1. Теоретическая модель
2. Изгиб микротрубочки под действием сжимающих сил
3. Модель, исследуемая с помощью компьютерного
моделирования
4. Стабильность численного метода
5. Результаты компьютерного моделирования
6. Реализация исследуемой системы на практике
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУТЫ

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 твердых тел, жидкостей и газов, а также играют важную роль в самоорганизации биологических объектов [1]. Природу биомолекулярных взаимодействий, участвующих в организации живых организмов, определяет набор слабых, нековалентных межмолекулярных сил [2]. Так, динамику цитоскелета 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 межмолекулярных взаимодействий. Так, методами атомно-силовой спектроскопии [3], оптического твизера [4,5,6] и микроигл [7] за последние десятилетия проведен ряд уникальных работ по
/с - квт (51)
При рассмотрении анизотропной ловушки, коэффициенты к, Дг могут быть получены в следующем виде:
р2(х2)у ь2 с1 у р(х
параметры а, Ь, с определены соотношениями (27,28). Измерение амплитуды выходного сигнала детектора позволяет оценить верхнюю частоту шумовых составляющих. (X2) может быть получено, используя (43):
(а2) = ]я(/)#. (53)

Я(/) - определяется через спектральную функцию для сигнала X и исключением из нее высоких и низких частот шумовых составляющих. Типичная ошибка для этого метода составляет 5% для коэффициента к и 3% для коэффициента /У [60].
Вышеописанные методы, основанные на расчете коэффициента упругости к, подразумевают, что смещения частицы определяются с нанометровым разрешением. Найти детектор с таким разрешением очень трудно и, кроме того, цена детектора не всегда позволяет приобрести его.
Калибровка оптического твизера является весьма сложной и важной задачей. Как было отмечено выше, существует много различных методов калибровки оптического твизера [44,45,60], тем не менее, идет постоянный поиск новых, более совершенных методов калибровки.
2.6. Ограничения на точность измерения оптическим твизером
Выше, при описании методов калибровки твизера, были даны оценки ошибок значений калибруемых величин, возникающих в результате калибровки оптического твизера. Анализ ограничений на точность измерения ♦ оптическим твизером при исследовании объектов с использованием