磁気ピンセット：分子レベルでのマイクロ操作と力測定

カンチレバーと光学ピンセットは、その機械的特性を測定するために、マイクロマニピュレーション細胞または生体分子に広く使用されています。ただし、簡単な回転動作を許可しておらず、処理された材料を損傷する場合があります。ここでは、以前のダイナモメーター特性のほとんどを保持しながら、これらの欠点を克服する磁気ピンセットのシステムを示します。電磁石は、デジタルフィードバックループを介して顕微鏡ベースの粒子追跡システムに結合されます。磁気ビーズは、最初に約10（-7）n/mの剛性の潜在的な井戸に閉じ込められます。したがって、それらは約10 microM/sの速度で3次元で操作し、10 Hzの周波数で光軸に沿って回転させることができます。さらに、我々の装置は、粘性抗力に対する通常のキャリブレーションに依存する動力計として機能するか、ブラウン変動を使用した完全なキャリブレーションのいずれかに依存することができます。磁気粒子とガラス表面の間にDNA分子を伸ばすことにより、50 fnから20 pnの範囲の垂直力を適用および測定しました。同様に、最大5 pnのほぼ水平方向の力が得られました。これらの実験から、磁気ピンセットは、他の利用可能なマイクロマニピュレーターの適切な代替手段になる可能性のある低コストで生体適合性のあるセットアップを表していると結論付けます。

Cantilevers and optical tweezers are widely used for micromanipulating cells or biomolecules for measuring their mechanical properties. However, they do not allow easy rotary motion and can sometimes damage the handled material. We present here a system of magnetic tweezers that overcomes those drawbacks while retaining most of the previous dynamometers properties. Electromagnets are coupled to a microscope-based particle tracking system through a digital feedback loop. Magnetic beads are first trapped in a potential well of stiffness approximately 10(-7) N/m. Thus, they can be manipulated in three dimensions at a speed of approximately 10 microm/s and rotated along the optical axis at a frequency of 10 Hz. In addition, our apparatus can work as a dynamometer relying on either usual calibration against the viscous drag or complete calibration using Brownian fluctuations. By stretching a DNA molecule between a magnetic particle and a glass surface, we applied and measured vertical forces ranging from 50 fN to 20 pN. Similarly, nearly horizontal forces up to 5 pN were obtained. From those experiments, we conclude that magnetic tweezers represent a low-cost and biocompatible setup that could become a suitable alternative to the other available micromanipulators.