Stretching single DNA-molecules with temperature-stabilized optical tweezers

This thesis consists of two parts; in the first part we performed a single-molecule force extension measurement with 10kb long DNA-molecules from phage-λ to validate the calibration and single-molecule capability of our optical tweezers instrument. Fitting the worm-like chain interpolation formula to the data revealed that ca. 71% of the DNA tethers featured a contour length within ±15% of the expected value (3.38 µm). Only 25% of the found DNA had a persistence length between 30 and 60 nm. The correct value should be within 40 to 60 nm. In the second part we designed and built a precise temperature controller to remove thermal fluctuations that cause drifting of the optical trap. The controller uses feed-forward and PID (proportional-integral-derivative) feedback to achieve 1.58 mK precision and 0.3 K absolute accuracy. During a 5 min test run it reduced drifting of the trap from 1.4 nm/min in open-loop to 0.6 nm/min in closed-loop.

Tämä tutkielma koostuu kahdesta osasta; ensimmäisessä osassa tutkimme optinen pinsetti-laitteistomme kalibraatiota ja soveltuvuutta yksittäismolekyylikokeisiin 10kb pituisien λ-faagista peräisin olevien DNA-molekyylien voima-venytyskokeilla. Mittauksiin sovitettiin ”worm-like chain”-interpolaatio malli, joka osoitti, että n. 71%:lla löydetyistä DNA ketjuista oli pituus 15% sisällä odotetusta pituudesta (3.38 µm). Vain 25%:lla DNA:sta oli sitkeyspituus 30-60 nm odotetun arvon ollessa 40-60 nm. Tutkielman toisessa osassa rakensimme lämpötilakontrollerin, jonka tarkoituksena oli poistaa lämpötilavaihteluiden aiheuttama ”ajelehtiminen” optisilla pinseteillä kiinnipidetyn mikroskooppisen pallon paikassa. Kontrolleri käyttää ”feedforward-” ja takaisinkytkentäsilmukoita saavuttaakseen 1.58 mK sisäisen tarkkuuden ja 0.3 K ulkoisen tarkkuuden. Viiden minuutin kokeen aikana pallo ajelehti 1.4 nm/min avoimella silmukalla ja 0.6 nm/min suljetulla silmukalla.