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Seguimiento de partículas individuales

Principio de seguimiento de partículas individuales: Los rectángulos representan fotogramas de una adquisición de imagen en los instantes t = 0, 1, 2, ... Las partículas rastr...

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Principio de seguimiento de partículas individuales: Los rectángulos representan fotogramas de una adquisición de imagen en los instantes 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 en dos dimensiones ( x , y ) o en tres dimensiones ( x , y , z ), se denomina trayectoria . La trayectoria se analiza típicamente utilizando métodos estadísticos para extraer información sobre la dinámica subyacente de la partícula. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Esta dinámica puede 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 de movimiento aleatorio, el análisis de trayectoria se puede utilizar para medir el coeficiente de difusión .

Aplicaciones

En 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 ] El seguimiento de partículas individuales en células vivas fue realizado por primera vez por Elf y colegas [ 9 ] para analizar la dinámica del represor lac en E. col. Desde entonces, se ha utilizado ampliamente para estudiar la dinámica del factor de transcripción en células vivas. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] 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 preguntas biológicas fundamentales como ¿cómo encuentra una proteína de interés 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, el SPT se ha utilizado para estudiar la cinética de la traducción y el procesamiento de proteínas in vivo . Para moléculas que se unen a estructuras grandes como los ribosomas , la SPT se puede utilizar para extraer información sobre la cinética de unión. A medida que la unión del ribosoma aumenta el tamaño efectivo de la molécula más pequeña, la tasa de difusión disminuye al unirse. Al monitorear estos cambios en el comportamiento de difusión, se obtienen mediciones directas de eventos de unión. [ 13 ] [ 14 ] Además, se emplean partículas exógenas como sondas para evaluar las propiedades mecánicas del medio, una técnica conocida como microrreología pasiva . [ 15 ] Esta técnica se ha aplicado para investigar el movimiento de lípidos y proteínas dentro de las membranas, [ 16 ] [ 17 ] moléculas en el núcleo [ 8 ] y el citoplasma , [ 18 ] orgánulos y moléculas en ellos, [ 19 ] gránulos lipídicos, [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] 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,[23] intermittent diffusion between 3D and either 2D (e.g., a membrane) [24] or 1D (e.g., a DNA polymer) phases, and synthetic entangled actin networks.[25][26]

Methods

The most common type of particles used in single particle tracking are based either on scatterers, such as polystyrene beads or gold nanoparticles that can be tracked using bright field illumination, or fluorescent particles. For fluorescent tags, there are many different options with their own advantages and disadvantages, including quantum dots, fluorescent proteins, organic fluorophores, and cyanine dyes.

On a fundamental level, once the images are obtained, single-particle tracking is a two-step process. First the particles are detected and then the localized different particles are connected in order to obtain individual trajectories.

Besides performing particle tracking in 2D, there are several imaging modalities for 3D particle tracking, including multifocal plane microscopy,[27] double helix point spread function microscopy,[28] and introducing astigmatism via a cylindrical lens or adaptive optics.

Brownian diffusion

See also

References

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  2. ↑ Manzo, Carlo; Garcia-Parajo, Maria F (2015-10-29). "Una revisión del progreso en el seguimiento de partículas individuales: de los métodos a las perspectivas biofísicas". Reports on Progress in Physics . 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 (2013-03-12). "Transporte anómalo en el mundo abarrotado de las células biológicas". Reports on Progress in Physics . 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. 1 2 Podh, Nitesh Kumar; Paliwal, Sheetal; Dey, Partha; Das, Ayan; Morjaria, Shruti; Mehta, Gunjan (5 de noviembre de 2021). "Imágenes de moléculas individuales in vivo en levaduras: aplicaciones y desafíos". Journal of Molecular Biology . 433 (22) 167250. doi : 10.1016/j.jmb.2021.167250 . PMID 34537238. S2CID 237573437 .  
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