Les pinces optiques utilisent un faisceau laser hautement focalisé pour piéger et manipuler des particules diélectriques en trois dimensions. La technique exploite la force de gradient qui attire les particules vers le point focal du faisceau, équilibrée par les forces de diffusion qui poussent les particules le long de l’axe du faisceau. Le piège optique résultant peut maintenir des particules allant de quelques dizaines de nanomètres à quelques dizaines de micromètres avec des forces allant jusqu’à des centaines de piconewtons.

Les forces sont mesurées en détectant le déplacement de la particule piégée par rapport au centre du piège à l’aide d’interférométrie dans le plan focal arrière. Un détecteur sensible à la position enregistre la déviation du laser de piégeage ou d’un faisceau sonde séparé. La rigidité du piège est calibrée en analysant le spectre de puissance du mouvement brownien ou en appliquant des forces de traînée visqueuse connues. La sensibilité de déplacement atteint 0,1 nm et la sensibilité de force atteint 0,1 pN.

Les pinces optiques sont utilisées pour étudier les moteurs moléculaires comme la kinésine, la myosine et la dynéine, qui génèrent des forces de l’ordre du piconewton en se déplaçant le long des filaments du cytosquelette. En attachant une protéine motrice à une bille piégée et en mesurant son mouvement par paliers, les chercheurs déterminent la taille des pas, la génération de force et l’efficacité de couplage à l’ATP.

Dans les études de repliement des protéines et des acides nucléiques, les pinces optiques appliquent une tension à des molécules individuelles. La courbe force-extension rapporte la stabilité mécanique des domaines repliés, les intermédiaires de dépliement et les voies de repliement. La transcription par l’ARN polymérase, la traduction par le ribosome et le déroulement par l’hélicase d’ADN sont étudiés en appliquant une force au substrat d’acide nucléique.

Les pinces optiques à double piège (configuration haltère) utilisent deux pièges pour maintenir les extrémités d’une seule molécule, éliminant les artefacts d’attachement à la surface. Les platines à température contrôlée et la livraison d’échantillons par microfluidique permettent un échange rapide de tampon et des conditions biochimiques contrôlées.