Let’s talk Tweezers

Let’s talk tweezers. Magnetic Tweezers, that is – de lekenversie. Toegegeven niet het meest spannende verhaal op deze site, ondanks dat interessant en momenteel niet weg te denken uit mijn dagelijks bestaan. Voor het nageslacht zullen we maar zeggen. De techniek bestaat inmiddels al een aantal decennia, en het woord ‘magnetic’ verraadt al een goed deel van het verhaal. De kracht van deze truc schult in het feit dat het concept zelf – alsmede het opzetten van een experiment – vrij eenvoudig is, terwijl er toch gecompliceerde systemen op het niveau van een enkel molecuul mee onderzocht kunnen worden.

Eureka.

Zoals eerder beschreven voer je je experiment uit in een vloeistofcel ter grootte van een microscooppreparaatplaatje. Deze zogenaamde flow cell bevindt zich in een microscoop-opstelling, met bijbehorende lichtbron, objectief en camera voor beeldregistratie. Verder komt er nog één attribuut bij kijken: de magneet natuurlijk.

De standaard MT setup, zoals bij ons ook te vinden is.

Van microschaal naar nanoschaal en terug

Kracht onder invloed van het magnetisch veld dient voorts te worden uitgeoefend op microscopisch kleine paramagnetische bolletjes met een doorsnee in de orde van 1 micrometer (µm/mircron/een miljoenste meter). Dit is natuurlijk al vrij microscopisch, in feite zijn de systemen die je wilt bestuderen nog eens 3 ordes van grootte kleiner: wat zoveel wil zeggen als dat ze nanoscopisch zijn – in de orde van een miljardste meter. Ziehier overigens een zeer inspirerende schaal-site.

Op deze nanoschaal bevinden zich de zaken die je met de MT kunt (en als biofysicus ook daadwerkelijk wilt) bestuderen, de elementaire bouwstenen van het leven; DNA, eiwitten, enzymen, enzovoorts. Deze objecten zijn natuurlijk allang niet meer met het blote oog waar te nemen, zelfs de beste optische microscooplenzen zullen er nooit in slagen om cellulaire soep tot op dit niveau te visualiseren.

Hier doen de bolletjes zeer vernuftig hun intrede: mits goed bevestigd aan een stuk DNA of een eiwit kunnen deze wel voor de microscooplens zichtbare micromagneetjes de beweging van het DNA of wat dan ook visualiseren. Bovendien behoort naast visualiseren ook manipuleren (lees: trekken en draaien) tot de mogelijkheden. De bollen werken dus als het ware als een pincet met een vrij uitmuntende versterkerfunctie.

IJken

Nu wil ik toch iets dieper ingaan op technische details; indien blinde paniek toeslaat is paragraaf overslaan het devies. Uit het camerabeeld kun je vervolgens een x, y en z positie van de bol in de tijd opmaken. De eerste twee laten zich al raden: software kan vrij eenvoudig de beweging in het horizontale vlak volgen en omzetten in coordinaten. De z-postitie, ofwel de hoogte, valt af te leiden uit het diffractiepartoon dat de bol heeft in het licht; verandert de hoogte, dan verandert ook het diffractiepatroon.

Hoogte-ijking doe je zo. Links het hoogteafhankelijke diffractiepatroon, rechts de look-up-table. Uit: Carrasco Pulido, C. and Moreno-Herrero, F. 2011. Magnetic Tweezers. eLS.

Om het diffractiepatroon te kunnen vertalen naar een specifieke hoogte van de bol boven het oppervlak moet het systeem geijkt worden. Hier zijn verschillende manieren voor, in Delft doen we dat door referentiebollen aan het glazen oppervlak van de flow cell te bevestigen. Vervolgens maak je een zogeheten look-up-table (intern jargon: de focusafstand van de lens in een reeks stapjes van bekende grootte veranderen waardoor je het bol-diffractiepatroon voor elke hoogte kent) en weet je zo op elk moment in je meting ook de hoogte van je bol ten opzichte van je referentiebol – en dus het oppervlak.

Het ijken van de kracht die je uitoefent draagt ons iets verder de wereld van de natuurkunde in, maar we houden het hier bij woord en beeld. Belangrijk om in je achterhoofd te houden is dat de zaken die op macroscopische schaal spelen – zoals zwaartekracht – naar mate je naar microscopische schaal gaat een steeds minder dominante rol gaan spelen; Brownse beweging (willekeurige beweging van deeltjes onder invloed van temperatuur) en elektrostatische krachten (onder invloed van (gedeeltelijke) ladingen van deeltjes) krijgen een steeds belangrijkere rol toebedeeld. Gaand van microscopische naar nanoscopische schaal wordt de invloed van zwaartekracht zelfs verwaarloosbaar: Brownse beweging en elektrostatische krachten maken hier de dienst uit.

De magnetische bol heeft een grootte die in het overgangsgebied zit tussen deze krachten: enerzijds zal het onder invloed van de zwaartekracht zinken, en anderzijds ondervindt het ook krachten van de moleculen die er tegenaan botsen en – wanneer via een DNA streng aan het oppervlak bevestigd, de zogenaamde tether – van de beweging van het DNA molecuul. Zonder de aanwezigheid van een magneetveld zie je deze bollen dus woest heen-en-weer dobberen (fluctueren zoals dat hier heet), als ware het verankerde boeien in een microscopische zee.

De fluctuaties van onze microscopische boei, zoals ze dat in het Schwille Lab demonstreren.

Op het moment dat een magneetveld kracht uit gaat oefenen op onze boei zal het DNA strakker gespannen worden met minder bewegingsvrijheid van het geheel als gevolg; er treedt als het ware een herstellende kracht op die de bol naar zijn middenpositie duwt. Nog harder trekken leidt uiteraard tot nog minder bewegingsvrijheid, enzovoorts. Het is de relatie tussen deze mate van fluctuatie, de lengte van de DNA ketting, de grootte van de boei en nog wat omgevingsfactoren zoals viscositeit die het enkele decennia geleden experimenteel fysici mogelijk maakte om de kracht als functie van magneetafstand te kunnen bepalen.

Schematische voorstelling van de “tether”, met de magnetische trekkracht F en de “herstellende kracht” Fr die de bol ondervindt hierdoor. Wikibron.

Trekken maar

Typische krachten die je kunt uitoefenen ligt tussen de 10 femtonewton (fN: 1 biljoenste Newton) en 100 piconewton (pN, 1 miljardste Newton); een vrij groot krachtenbereik dus (4 ordes van grootte). Bij die lage kracht ondervindt DNA zo goed als geen effect van trekkracht, bij 100pN echter wordt het molecuul zo uit elkaar getrokken dat de dubbele helix het niet of nauwelijks overleeft. Het voordeel van deze techniek – naast de hierboven beschreven eenvoud – is dat je te bestuderen systeem nauwelijks last ondervindt van de aanwezige velden en magneten. Daarnaast – en dit is misschien nog wel het grootste voordeel – kun je makkelijk meerdere tethers tegelijk in een experiment volgen (multiplexen). Dit alles in tegenstelling tot de verwante technieken AFM en optical tweezers. Wellicht daarover later meer. Het nadeel van de magnetic tweezers ten opzichte van bijvoorbeeld deze andere twee technieken is dan weer een relatief lage resolutie in ruimte (enkele nanometers) en tijd (microseconden). You can’t win ’em all.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *