Molecular imaging technologies for mechanobiology

项目总结： -- 细胞是高度动态的，它们在周围的环境中相互挤压、相互拉扯、相互作用、相互作用。 个体之间的相互作用涉及到多种力量。这些力量是由特定的细胞受体和分子感受到的。尽管这些力量很小，但仍然存在。 在大小(Pn)方面，这些新的分子生物学力量可能会对细胞和生命的许多方面产生深远的生物影响。 包括干细胞的分化、细胞的分裂、癌症的转移、血液的凝结等。 能够更好地描述物质力量和生化信号之间的相互作用关系，是人类发展的一个关键组成部分。 了解我们生活中的生物系统中的信号通路。目前有两种主要的生物技术被用来研究分子生物学。 机制生物学：以单分子作用力显微镜(SMFS)和牵引作用力显微镜(TFM)为基础。 方法：虽然功能强大，但这些方法也存在几个缺点。 作用力(PN)，但它不这样做，一次只有一个分子作用力。相反，TFM提供了一个细胞作用力的空间地图。 但在现代神经网络的规模上，订单的数量比单个细胞受体应用的订单数量要大得多。这是一座桥梁。 在这些方法中，我们发明了一种分子荧光显微镜(MTFM)，它使用了一种传统的方法。 荧光显微镜可以通过使用一个经过校准的分子作用力探针来绘制具有PN值分辨率的细胞作用力图。 这项提案的主要目标是彻底改造MTFM的核心能力，允许更多规模的订单和更多的改进。 空间分辨率和时间分辨率以及作用力方向的空间映射模型。 目前，生物医学和信息科学处于边缘地位，因为许多人缺乏新的工具来精确地量化信息，并将机械设备与信息联系起来。 细胞和生物化学。我们的下一个目标是通过开发新的生物成像技术来改变分子和机械生物学的新领域。 技术需要使蜂窝通信部队能够以前所未有的分辨率进行研究。在这些技术中，以技术为中心。 围绕着基于DNA的MTFM电子探针，我们将为他们提供一个广泛适用的电子技术平台来进行进一步调查。 分子运动学是指分子作用力的功能和结果，存在于各种不同的生物力学系统中。 我们将继续解决空间分辨率与空间分辨率之间的差距，以及基于DNA的空间探测器的杠杆作用，以推动超分辨率的发展。 FORCE-INTRAN以空间分辨率为20纳米的动态地震力成像技术为目标，我们将继续探索这一领域。 据一项研究，FRAP和FCS这两种新方法的力量和力量的动态变化是通过利用这两种方法的强大力量来实现的。 分子力量和动力学与美国国家证券交易委员会合作，以节省时间和解决方案。最后，在我们的目标是3，我们将利用荧光。 偏振显微镜可以用来测量分子作用力的三维方向。我们将不会使用成纤维细胞作为焦点。 粘连、血小板活化和凝血、T细胞和抗原识别是为了测试我们的方法并验证我们的方法。 这些目标的实现也将为我们提供一个新的技术工具箱，帮助我们理解分子作用力的概念，并进一步产生新的理论。 这是一个框架，说明在健康和疾病状态下，他们如何迫使组织结构和细胞动力学影响细胞免疫功能。

Project Summary    Cells  are  highly  dynamic,  squeezing,  pulling,  and  tugging  on  their  surroundings  and  on  each  other.  Each  individual interaction involves forces. These forces are felt by specific receptors and molecules. Although small  in magnitude (pN), these molecular forces can have profound biological impacts in many aspects of cellular life  including the fate of differentiating stem cells, cell division, cancer metastasis, and blood clotting. Therefore, the  ability  to  characterize  the  interplay  between  physical  forces  and  biochemical  signals  is a  critical  component  of  understanding  signaling  pathways  in  living  systems.  There  are  two  main  techniques  used  to  study  molecular  mechanobiology:  single  molecule  force  spectroscopy  (SMFS)  and  traction  force  microscopy  (TFM)  based  methods. While powerful, these approaches suffer from several drawbacks. SMFS measures individual receptor  forces (pN), but it does so only one molecule at a time. Conversely TFM provides spatial maps of cellular forces,  but on the nN scale, orders of magnitude larger than the forces applied by individual cell receptors.  To bridge  these  approaches,  we  invented  molecular  tension  fluorescence  microscopy  (MTFM)  which  uses  conventional  fluorescence microscopy to map cellular forces with pN resolution by using a calibrated molecular force probe.  The goal of this proposal is to transform the capabilities of MTFM allowing orders of magnitude improvement in  spatial and temporal resolution as well as the mapping of force orientation. Molecular mechanobiology remains  at  the  fringes  of  biomedical  sciences  because  of  the  lack  of  tools  to  precisely  quantify  and  link  mechanics  to  cellular biochemistry. Our goal is to transform the field of molecular mechanobiology by developing new imaging  technologies  to  enable  the  study  cellular  forces  at  unprecedented  resolution.  These  technologies,  centered  around  the  DNA-­based  MTFM  probes,  will  provide  a  broadly  applicable  platform  of  technology  to  investigate   molecular mechanics, and the functional outcomes of molecular forces, in diverse biological systems.  In Aim 1  we will address the spatial resolution gap, and leverage the DNA-­based force probes to develop super-­resolution  force-­PAINT  with  the  goal  of  dynamic  force  imaging  with  20  nm  spatial  resolution.  In  Aim  2  we  will  probe  the  dynamics of forces and force fluctuations by harnessing the power of two approaches, FRAP and FCS, to study  molecular  force  dynamics  with  nsec  to  msec  time  resolution.  Finally,  in  Aim  3  we  will  leverage  fluorescence  polarization  microscopy  to  measure  the  3D  orientations  of  molecular  forces.  We  will  use  fibroblast  focal  adhesions,  platelet  activation  and  coagulation,  and  T  cell  antigen  recognition  to  test  and  verify  our  approach.  Accomplishment of these goals will provide a new toolkit for understanding molecular forces and generating a  framework of how force organization and dynamics influence cellular function in healthy and disease states.