単一粒子追跡
単一粒子追跡の原理：長方形は、時刻t  = 0、1、2、…での画像取得からのフレームを表します。追跡された粒子は赤い円で表され、最後のフレームでは、再構成された軌跡が青い線で表示されます。

単粒子追跡（SPT）は、媒体内の個々の粒子の運動を観測するものです。2次元（x、y）または3次元（x、y、z ）の座標時系列は、軌跡と呼ばれます。軌跡は通常、統計的手法を使用して分析され、粒子の根本的なダイナミクスに関する情報を抽出します。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]これらのダイナミクスにより、観測されている輸送の種類（熱輸送または能動輸送など）、粒子が移動している媒体、および他の粒子との相互作用に関する情報が明らかになります。ランダム運動の場合、軌跡分析を使用して拡散係数を測定できます。

アプリケーション

生命科学において、単粒子追跡法は生細胞（細菌、酵母、哺乳類細胞および生きたショウジョウバエ胚）内の分子/タンパク質の動態を定量化するために広く使用されている。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]これは生細胞内の転写因子の動態を研究するために広範に使用されている。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]この方法は、生細胞内のタンパク質の標的検索メカニズムを理解するために過去 10 年にわたって広範に使用されている。これは、複雑な細胞環境で目的のタンパク質がどのように標的を見つけるのか、結合の標的部位を見つけるのにどのくらいの時間がかかるのか、タンパク質が DNA に結合する滞留時間はどれくらいかなど、基本的な生物学的疑問に取り組んでいる。[ 5 ]最近、SPT は生体内でのタンパク質の翻訳およびプロセッシングの速度論を研究するために使用されている。リボソームなどの大きな構造に結合する分子の場合、SPT は結合速度論に関する情報の抽出に使用できる。リボソーム結合により小分子の有効サイズが大きくなるため、結合時の拡散速度は低下する。拡散挙動におけるこれらの変化をモニタリングすることで、結合イベントの直接測定が可能となる。[ 12 ] [ 13 ]さらに、外因性粒子をプローブとして用いて媒体の機械的特性を評価する手法がパッシブマイクロレオロジーとして知られている。[ 14 ]この手法は、膜内の脂質やタンパク質、[ 15 ] [ 16 ]核内の分子[ 8 ]および細胞質内の分子[ 17 ]細胞小器官とその中の分子[ 18 ]脂質顆粒、[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]小胞、細胞質または核に導入された粒子の動きを調べるために応用されている。さらに、単一粒子追跡は、再構成された脂質二重層、[ 22 ] 3Dと2D（例えば膜）[ 23 ]または1D（例えばDNAポリマー）相との間の断続的な拡散、および合成された絡み合ったアクチンネットワーク[ 24]の研究に広く利用されている。] [ 25 ]

方法

単一粒子追跡に用いられる最も一般的な粒子の種類は、明視野照明を用いて追跡可能なポリスチレンビーズや金ナノ粒子などの散乱体、または蛍光粒子です。蛍光タグには、量子ドット、蛍光タンパク質、有機蛍光体、シアニン色素 など、それぞれ長所と短所を持つ様々な選択肢があります。

基本的なレベルでは、画像を取得した後、単一粒子追跡は2段階のプロセスで行われます。まず粒子を検出し、次に局所化された異なる粒子を連結して個々の軌跡を取得します。

2Dで粒子追跡を行う以外にも、多焦点平面顕微鏡法、[ 26 ]二重らせん点広がり関数顕微鏡法、[ 27 ]円筒レンズまたは適応光学による非点収差の導入など、3D粒子追跡用の画像化手法がいくつかあります。

ブラウン拡散

参照

参考文献

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