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Christof Beer 10.06.2013
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Gliederung
1. Funktionsweise der optischen Falle
2. Experimenteller Aufbau
3. Anwendungen
4. Overstretching B-DNA (Smith, Cui, Bustamante)
5. Zusammenfassung/Vergleich mit anderen Techniken
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Funktionsweise der optischen Falle (geometrische Optik)
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Nicht fokussierter Laser mit gaußförmigem Strahlprofil
Fokussierter Laser
1. Radius des gefangenen Kügelchens (R) ≫ Wellenlänge des Lasers (λ)
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Funktionsweise der optischen Falle (Dipolnäherung)
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2. R ≪ λ ⇒ Kügelchen als punktförmiger Dipol
Kugel der chnittStreuquers
Mediums des ndexBrechungsi
Lichts eneinfallend des Intensität
:
:
:0
0
n
I
c
nIFscatt
Kugel der barkeitPolarisier :
202
I
cnFgrad
Für eine stabile optische Falle muss gelten: ⇒ Objektiv mit hoher Numerischer Apertur
scattgrad FF
3. R ~ λ : komplexe elektromagnetische Theorie
maxsinnNA
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Kraftmessung
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Optische Falle als Feder (Hookesches Gesetz)
Kraftmessung durch Positionsmessung:
• Videokamera • Quadrantenfotodiode • Laser
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Experimenteller Aufbau
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Prinzip: dual beam optical tweezers
single beam optical tweezers:
Meist Nd:YAG Laser
)1064( 00TEMnm ;
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Anwendungen (aktive Zellmanipulation)
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1. Positionierung/Transport von Zellen
2. Cell sorting
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Anwendungen (aktive Zellmanipulation)
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4. Laserskalpel
3. Optical guiding
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Anwendungen (passive pN Kraftmessung)
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5. Messung der Deformierbarkeit/Elastizität von roten Blutzellen, unilamellaren Vesikeln, DNA, …
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Overstretching B-DNA: The Elastic Response of Individual Double-Stranded and Single-Stranded DNA Molecules
Smith, Cui, Bustamante
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Versuchsaufbau:
(A) 2-Strahl optische Falle (B) Verknüpfen von Bead und DNA (Biotin- Streptavidin)
Messung von:
• Beadabstand → DNA-Ausdehnung
• Verschiebung Laserstrahl → Kraft auf Bead/DNA
⇒ F-Ex Kurve
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Overstretching B-DNA
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F-Ex Diagramm von λ-Phage ds-DNA in 150mM NaCl Pufferlösung
Übergang bei hohen Dehnungskräften (ca. 65 pN)
Schmaler Kraftbereich des Übergangs (ca. 2 pN)
Hysterese während Entspannung
A-, B- und Z-DNA-Struktur:
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Overstretching B-DNA
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Modell des Dehnung- Entspannungszyklus: Dehnung von querverknüpfter ds-
DNA (mit Psoralen) in Puffer verschiedener Konzentrationen Na
Existenz von ss-Regionen ⇒ Hysterese
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Overstretching B-DNA
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F-Ex Kurven von λ-Phage ds-DNA in Puffer mit 5 M Betaine bzw. 60%
Ethanol
Gründe für hohe Kooperativität des Übergangs (schmaler Kraftbereich):
• Änderung des Hydrationszustands
• Änderung der ionischen Umgebung
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Overstretching B-DNA
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F-Ex Kurven von λ-Phage ss-DNA (rot, grün)
Einsatz: (orange) ds-DNA (violett) ds/ss-DNA (blau) ss-DNA
ss-DNA zieht sich für geringe Ausdehnungen stärker zusammen als ds-DNA
Selbes asymptotisches Verhalten bei hohen Kräften
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Zusammenfassung/Vergleich mit anderen Techniken
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Optical Tweezers:
• stark fokussierter Laser hält Bead im Fokus • kontaktfreie Kraftmessung (0.1-100 pN) • Auflösung Positionsmessung: ca. 1 Å
Atomic Force Microskopy
Magnetic Tweezers
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Quellen
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• Steven B. Smith, Yujia Cui and Carlos Bustamante; 1994 Overstretching B-DNA: The Elastic Response of Individual Double-Stranded and Single-Stranded DNA Molecules; Science
• A. Ashkin; 1970 Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure; Phys. Rev. Lett.
• Hu Zhang, Kuo-Kang Liu; 2008 Optical tweezers for single cells; J. R. Soc. Interface
• Keir C. Neuman, Steven M. Block; 2004 Optical trapping; Rev. Sci. Instrum.
• C.T. Lim et al. 2004 Large deformation of living cells using laser traps; Acta Materialia
• D. J. Stevenson et al. 2006 Optically guided neuronal growth at near infrared wavelengths; OPTICS EXPRESS