単一粒子追跡

単一粒子追跡（SPT）は、媒体内の個々の粒子の動きを観察することです。2次元（x、y）または3次元（x、y、z ）のいずれかの座標時系列は、軌道と呼ばれます。軌道は通常、粒子の根本的なダイナミクスに関する情報を抽出するために統計的手法を使用して分析されます。^{[1] [2] [3]}これらのダイナミクスにより、観察されている輸送の種類（熱輸送または能動的輸送など）、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。ランダムな動きの場合、軌道分析を使用して拡散係数を測定できます。

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、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ます。^{[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く使用されています。^{[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 年間で広く使用されてきました。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、結合する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対処します。 ^[5]最近、SPT は、生体内でのタンパク質の翻訳および処理の速度論を研究するために使用されています。リボソームなどの大きな構造に結合する分子の場合、SPT を使用して結合速度論に関する情報を抽出できます。リボソーム結合により小さい分子の有効サイズが増加するため、結合時に拡散速度が低下します。拡散挙動のこれらの変化を監視することにより、結合イベントの直接測定が得られる。^{[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、パッシブマイクロレオロジーと呼ばれる手法がある。^[14]この手法は、膜内の脂質やタンパク質の動き、^{[15] [ 16]}核^[8]および細胞質^[17]内の分子、[18]細胞小器官とその中の分子、^[19]脂質顆粒、^{[ 20] [21]}小胞、および細胞質または核に導入された粒子の調査に適用されている。さらに、単一粒子追跡は、再構成脂質二重層^[22] 、 3D と 2D (膜など) ^[23]または 1D (DNA ポリマーなど) 相の間の断続的な拡散、および合成絡み合ったアクチンネットワークの研究に広く使用されている。^{[24] [25]}

単一粒子追跡で使用される最も一般的なタイプの粒子は、明視野照明を使用して追跡できるポリスチレンビーズや金ナノ粒子などの散乱体、または蛍光粒子に基づいています。蛍光タグの場合、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、それぞれに長所と短所があるさまざまなオプションがあります。

基本的なレベルでは、画像が取得されると、単一粒子追跡は 2 段階のプロセスになります。最初に粒子が検出され、次に局所化されたさまざまな粒子が接続されて、個々の軌跡が取得されます。

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粒子追跡のための画像化手法がいくつかあります。

• ブラウン運動
• 拡散
• マイクロレオロジー
• ナノ粒子追跡分析
• 単一分子実験
• 単一粒子の軌道
• テザー粒子運動

• トラックメイト
• Uトラック
• 二重らせんPSF法（Andor）
• シミュレーションまたは実験による単一粒子の軌道の例