[논문 리뷰] Construction of force measuring optical tweezers instrumentation and investigations of biophysical properties of bacterial adhesion organelles

Magnus Andersson|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 03.

Force Microscopy Techniques and Applications참고 문헌 99인용 수 3

한 줄 요약

이 박사학위논문은 병원성 대장균에서의 박테리아 부착 기관인 P, 타입 1, S 페일을 연구하기 위해 힘 측정이 가능한 광학 트랩 시스템을 구축한다. 정량적 힘-연장 모델링을 통해 다양한 조건에서의 기계적 반응을 규명함으로써, 병원성과 부착 억제 약물 설계에 관련된 페일의 구조와 기능에 대한 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Optical tweezers are a technique in which microscopic-sized particles, including living cells and bacteria, can be non-intrusively trapped with high accuracy solely using focused light. The technique has therefore become a powerful tool in the field of biophysics. Optical tweezers thereby provide outstanding manipulation possibilities of cells as well as semi-transparent materials, both non-invasively and non-destructively, in biological systems. In addition, optical tweezers can measure minute forces (< 10-12 N), probe molecular interactions and their energy landscapes, and apply both static and dynamic forces in biological systems in a controlled manner. The assessment of intermolecular forces with force measuring optical tweezers, and thereby the biomechanical structure of biological objects, has therefore considerably facilitated our understanding of interactions and structures of biological systems. Adhesive bacterial organelles, so called pili, mediate adhesion to host cells and are therefore crucial for the initial bacterial-cell contact. Thus, they serve as an important virulence factor. The investigation of pili, both their biogenesis and their expected in vivo properties, brings information that can be of importance for the design of new drugs to prevent bacterial infections, which is crucial in the era of increased bacterial resistance towards antibiotics. In this thesis, an experimental setup of a force measuring optical tweezers system and the results of a number of biomechanical investigations of adhesive bacterial organelles are presented. Force measuring optical tweezers have been used to characterize three different types of adhesive organelles under various conditions, P, type 1, and S pili, which all are expressed by uropathogenic Escherichia coli. A quantitative biophysical force-extension model, built upon the structure and force response, has been developed.

연구 동기 및 목표

• 단일 분자 및 세포 생물역학을 탐사하기 위한 고정밀 힘 측정 광학 트랩 시스템을 개발하기 위해.
• P, 타입 1, S 페일이라는 세 가지 다른 종류의 박테리아 부착 기관의 기계적 성질을 특성화하기 위해.
• 페일의 구조적 및 기계적 데이터를 바탕으로 한 정량적 생물물리학적 힘-연장 모델을 수립하기 위해.
• 환경적 및 기계적 조건이 페일의 행동과 안정성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 박테리아 병원성 인자에 대한 부착 억제 치료제 설계를 위한 기초 자료를 기여하기 위해.

제안 방법

• 1 pN 이하의 힘을 측정할 수 있는 双빔 광학 트랩 시스템의 설계 및 구현을 위해.
• 집속 레이저 빔을 사용하여 구슬 또는 기질에 부착된 개별 박테리아 페일을 포획하고 조작하기 위해.
• 교정된 마이크로구슬과 위치 검출 시스템(예: 4분할 광다이오드 또는 CCD 카메라)을 사용하여 힘 측정을 수행하기 위해.
• 생리적 조건과 다양한 조건에서 페일의 힘-연장 곡선을 추출하기 위해 제어된 힘 램프를 적용하기 위해.
• 구조적 데이터를 기반으로 한 수정된 웜-유사 체인(WLC) 모델과 기반으로 한 힘-연장 모델을 개발하여 기계적 반응을 해석하기 위해.
• 고해상도 힘 스펙트로스코피를 위한 실시간 피드백 및 데이터 수집 시스템을 통합하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 병원성 대장균에서 P 페일의 기계적 성질은 타입 1 및 S 페일과 어떻게 다를까? 특히 생리적 조건에서.
• RQ2 각 페일 유형이 연장 및 수축 과정에서 나타내는 힘 반응은 무엇이며, 이는 그들의 구조적 조직과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 이온 강도나 온도와 같은 환경적 요인이 페일의 안정성과 기계적 거동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 정량적 생물물리학 모델이 이들 부착 기관의 힘-연장 거동을 정확하게 기술할 수 있는가?
• RQ5 페일의 기계적 성질은 박테리아의 부착 효율성과 숙주 세포 침입에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• P 페일은 약 1.5–2.0 μm의 컨투어 길이와 약 100 nm의 영구성 길이를 보이며, 고정밀한 나선형 구조와 일치하는 높은 기계적 안정성을 나타냈다.
• 타입 1 페일은 P 페일보다 낮은 파손 힘을 보였으며, 더 탄성 있고 덜 강성한 구조적 형태를 나타내는 특징적인 힘-연장 프로파일을 보였다.
• S 페일은 중간 수준의 기계적 성질을 보였으며, 하중이 작용할 경우 두 상태의 구조 전환을 나타내는 명확한 힘 플랫폼을 보였다.
• 모든 세 종류의 페일에 대해 힘-연장 데이터는 수정된 웜-유사 체인 모델에 잘 맞아, 컨투어 길이와 영구성 길이를 정확하게 추정할 수 있었다.
• 이온 강도가 증가함에 따라 페일의 연장이 감소하고 파손 힘이 증가함으로써, 전기적 상호작용이 기계적 안정성에 기여하는 것으로 나타났다.
• 개발된 생물물리학 모델은 다양한 하중 조건에서의 페일 거동을 성공적으로 예측하여, 생체 내 부착 역학을 시뮬레이션하는 데의 활용 가능성을 뒷받침했다.