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单分子稳定性分析系统（磁镊）—Hi-MT 

 

单分子稳定性分析系统（磁镊）—Hi-MT 

 

单分子稳定性分析系统（高通量单分子力谱测量系统）Hi-MT，采用全新的单分子磁镊（single molecular magnetic tweezers）技术，可以同时对数百个生物大分子（如DNA、RNA或蛋白等）施加亚pN至数百pN的力，从而对单个分子进行操控及力学测量。高通量单分子力谱测量系统广泛应用于蛋白结构解析、DNA/RNA与蛋白的相互作用、细胞及细胞骨架应力、小分子药物研发等领域。

 

单分子磁镊技术是一种可同时操控多个生物分子或细胞的一种技术，通过电磁铁产生特定大小的磁力作用于微流控芯片，对芯片内与表面连接有生物分子的微球或细胞施加一定的力以对其进行操控。 

 

 

实验中可以将多个生物分子(如DNA)一端与微球连接，另一端连接到芯片的内表面，使用电磁铁产生磁力作用于微球，DNA分子便被微球向磁力平面拉伸，此时可以同时对多个分子进行检测，收集大量数据，用于将异质性的生物分子行为与稀有状态从群体平均效应中区分出来。

 

 

Hi-MT 主要特点

★    精度高：力学精度小于0.1 pN；空间精度小于1nm；

★    通量高：单次最高可检测100个生物大分子；

★    多维度：生物大分子长度和扭转同时追踪；

 

Hi-MT 主要应用

1、DNA的力学特性

多个偶联微球的DNA分子被固定在芯片表面，施加磁力将微球向上拉伸，从而获得多个DNA分子的力-距离曲线。 
单分子力谱法如磁镊、光镊及原子力技术已经成为强大的工具，广泛应用于研究DNA酶相互作用的生物力。但是一般的单分子力谱检测方法通常只能检测一个DNA分子，非常限制数据采集分析。通过微接触印刷将DNA系留磁珠定向、非随机固定在规则阵列中DNA末端结合标签。可增加检测数量级。其中数百个微球同时被平行追踪并对相应的DNA进行力学统计分析。该技术为研究DNA-蛋白质相互作用中的罕见事件，并获得来自单个实验运行的大量统计数据集奠定了基础。

Iwijn De Vlaminck, et al. Nano Letters, 2011

 

单分子力谱测量方法可以应用于DNA延伸。对于六个不同的DNA序列，在0.2至1.2pN的变化力下，DNA延伸表现出不同的方式。在0.3pN及以下，所有DNA的拉伸及旋转曲线都是对称的。在0.6和0.8pN的中间力下，DNA熔化和丝核形成之间的竞争的序列依赖效应最为明显。在1.2pN时，所有序列都显示出不对称的旋转曲线：施加的负超螺旋被DNA熔化吸收，施加的正超螺旋被多核体吸收。

Rifka Vlijm, et al. PLoS One, 2015

 

2、DNA构象变化
单分子力谱测量方法可以应用于DNA延伸。对于六个不同的DNA序列，在0.2至1.2pN的变化力下，DNA延伸表现出不同的方式。在0.3pN及以下，所有DNA的拉伸及旋转曲线都是对称的。在0.6和0.8pN的中间力下，DNA熔化和丝核形成之间的竞争的序列依赖效应最为明显。在1.2pN时，所有序列都显示出不对称的旋转曲线：施加的负超螺旋被DNA熔化吸收，施加的正超螺旋被多核体吸收。

 

3、RNA构象变化
单分子力谱测量方法可以同时探究数百个单个聚合酶 RNA 合成动力学，研究双链 RNA 和单链 RNA 的力学伸展曲线。在 RdRp RNA 合成过程中，CD 模板链从 AB 链上被置换下来，单链 RNA 的比例逐渐增加。由于双链 RNA 和单链 RNA 之间的伸展差异较大，选择了 25 pN 的恒定力，这为 RdRp RNA 合成提供了高空间分辨率。

 

4、蛋白构像解析
蛋白通过两端的DNA handles被偶联在微球和芯片表面中间。通过磁力将微球拉伸，从而导致不同的蛋白质区域展开。

 

5、DNA-蛋白相互作用
多个与蛋白孵育的DNA分子被拉伸。DNA分子一端偶联微球，另一端固定在芯片表面。通过对微球施力即可同时测量多个生物大分子的力-距离曲线。 

 

6、抗原-抗体相互作用

Hi-MT可以在单分子层面测量抗原抗体的亲和力。将抗原标记的微球与抗体结合连接玻璃表面。用逐渐上升的力使微球远离玻璃表面同时测量微球位置，即可计算抗原抗体的相互作用力。 

 

实际案例：

1、染色质纤维组装及调控机制：解析染色质高级结构组装过程，确定四核小体模式

 

2、FACT双重调控核小体机制：核小体动态组装体现FACT双重调控功能

 

3、泛素化修饰调控核小体机制：泛素修饰和FACT相互耦合，实现核小体“开”“关”调控

 

4、SWR1替换组蛋白机制：Swc2结构域特异识别H2A核小体

 

5、抗癌药物作用DNA的机制：揭示药物与DNA作用机制
 

 

文献列表：

  • FACT mediates the depletion of macroH2A1.2 to expedite gene transcription. Molecular Cell, 2024
  • NFIB facilitates replication licensing by acting as a genome organizer. Nature Communications, 2023
  • Structural insights into histone binding and nucleosome assembly by chromatin assembly factor-1. Science, 2023
  • Endothelial discoidin domain receptor 1 senses flow to modulate YAP activation. Nature Communications, 2023
  • Single-Molecule Resettable DNA Computing via Magnetic Tweezers. Nano Letters, 2022 
  • H2A mono-ubiquitination differentiates FACT's functions in nucleosome assembly and disassembly. Nucleic Acids Research, 2022
  • Recognition of the inherently unstable H2A nucleosome by Swc2 is a major determinant for unidirectional H2A.X exchange. Cell Reports, 2021
  • Structures and Functions of Chromatin fibers. Annual Review of Biophysics, 2021
  • Curaxin-Induced DNA topology alterations trigger the distinct binding response of CTCF and FACT st the single-molecule level. Biochemistry, 2021
  • DNA polymerase Gp90 activities and regulations on strand displacement DNA synthesis revealed at single-molecule level. FASEB Journal, 2021
  • Histone H2A ubiquitination reinforces mechaincal stability and asymmetry at the single-nucleosome level. Journal of the American Chemical Society, 2020

 

主要配置：

1、高通量磁镊模块

力学精度:  0.1pN；

力学范围：0-100pN;

检测通量：100个目标同时检测；

空间精度：1-2nm

2、微流控模块

可快速替换样品池中的组分，以改变其成分及 pH；/3、加热模块

室温至50℃连续可调；

4、光学系统升级

可以整合上下光路，升级TIRF全内反射荧光系统；

5、数据分析软件统

位置-力谱数据分析；

可导出原始数据和分析得到的数据；

 

北京佰司特科技有限责任公司 (https://www.best-sciences.com)

类器官串联芯片培养仪—HUMIMIC；灌流式细胞组织类器官代谢分析仪—IMOLA；光片显微镜—LSM-200；

蛋白稳定性分析仪—PSA-16；单分子分析仪（磁镊力谱测量仪）—HiMT；单分子质量光度系统—TwoMP；超高速视频级原子力显微镜—HS-AFM；微流控扩散测量仪—Fluidity One-M；

微纳加工点印仪—NLP2000DPN5000；台式原子力显微镜—ACST-AFM；全自动半导体式细胞计数仪—SOL COUNT；农药残留定量检测仪—BST-100；