分析测试百科网 > 行业资讯 > 技术原理

原子力显微镜及其在生物学研究中的应用

2020.7.20

随着样品处理技术在液体中成像技术的改善，应用原子力显微镜(AFM)观察复杂的生化过程成为可能。转录过程是基因表达的中心环节，而使用原子力显微镜(AFM)观察蛋白质和DNA的相互作用存在一个矛盾要解决：生物分子需要固定到基底上是原子力显微镜(AFM)的成像基础，而生化反应过程却需要生物分子能相对自由地移动。即使在大量非特异性DNA存在时，RNA聚合酶(RNAP)与启动子间仍存在很高的结合率，人们猜想RNAP沿着DNA的扩散是其原因之一。非特异性复合物在适当条件下沉积后，利用原子力显微镜(AFM)可观察到RNAP沿着DNA滑动，且能在不同的DNA片段间转移。然而加入肝素可终止这些过程，这就进一步证实了RNAP- DNA相互作用的非特异性。原子力显微镜(AFM)还能对转录的过程进行实时观察，在加入核苷酸后，沉积到云母上的延长复合物沿着DNA模板单向移动。两个对照实验证实RNAP与DNA的相对移动与转录的实际情况相符。在一个对照中，以没有终止子的微环DNA作为模板，在云母上进行转录。在干燥后通过原子力显微镜(AFM)可观察到合成的ＲＮＡ长链。在第二个对照中，DNA在相同的条件下，在云母上进行转录。不同的是加入的核苷酸用32Ｐ标记。通过PAGE对反应产物进行分析，结果显示与云母结合的复合物具有活性，而且转录的速度与用原子力显微镜(AFM)测得的近似生物分子的构象改变也是原子力显微镜(AFM)的重要观察内容。将尿素酶沉积到云母上并用原子力显微镜(AFM)扫描，在液池中加入尿素后发现,悬臂的垂直波动明显增加，这提示由酶活动引起的构象改变能直接通过原子力显微镜(AFM)记录下来。格兰阴性菌的外膜是其保护屏障，它由规则组装的蛋白质通道构成。其中研究较多的是Deinococcusradiodurans的六角形组装中间体(hexago nallypacked intermediate, HPI)蛋白。HPI被认为与营养的摄入和代谢物的排出有关。HPI的原子力显微镜(AFM)图像显示了规则的六角形及中央的孔样结构。在液体中成像则发现HPI呈现出“开和“关”两种不同的构象。意义虽不清，但这却显示出原子力显微镜(AFM)在液体中成像的优势。

原子力显微镜(AFM)在研究分子识别中的应用分子间的相互作用在生物学领域中相当普遍,例如受体和配体的结合,抗原和抗体的结合,信息传递分子间的结合等,是生物体中信息传递的基础。原子力显微镜(AFM)可作为一种力传感器来研究分子间的相互作用。这是由于原子力显微镜(AFM)理论上能感应10-14Ｎ的作用力,能感应0.01ｎｍ的位移,而接触面积可小到10ｎｍ2。因此,原子力显微镜(AFM)被用于研究互补的DNA链间、细胞粘附分子间及配体-受体间的相互作用力。生物素(biotin)和抗生物素蛋白链菌素(streptavidin)间有高亲和力,其相互作用的热力学数据也较为清楚。因而,生物素和抗生物素蛋白链菌素是原子力显微镜(AFM)测定特异相互作用力的良好典型。在一经典实验中，用生物素化的小牛血清白蛋白(biotinlated bovine serum albumin，BBSA)包裹微球，而微球连在悬臂上形成BBSA功能化探针。然后在有生物素阻断和无生物素阻断的抗生物素蛋白链菌素溶液中测量BBSA功能化探针和BBSA包裹云母间的粘附力。结果显示,无生物素阻断的抗生物素蛋白链菌素溶液中需要较大的力才能将BBSA功能化探针与云母表面分离，力的大小为(0.257±0.025)ｎＮ，与分离配体-受体所需的力相符。而在此基础上可推算出其有效的断裂距离为(0.95±0.10)ｎｍ。因此，当针尖包裹了特定的分子(如生物素)后,通过针尖和样品间的相互作用可用于辨认表面的相应分子(如抗生物素蛋白链菌素)的位置。现在已出现了商用的修饰探针，这些探针包裹了不同的分子，可用于不同用途的分子识别。因而原子力显微镜将发挥更广泛的作用。

原子力显微镜(AFM)在物质超微结构研究中的应用原子力显微镜(AFM)可以直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置、以及有表面吸附体引起的表面重构等。原子力显微镜(AFM)可以观察许多不同材料的原子级平坦结构，例如，可以用原子力显微镜(AFM)对DL－亮氨酸晶体进行研究，可观察到表面晶体分子的有序排列，其晶格间距与X射线衍射数据相符。另外原子力显微镜(AFM)还成功地用于观察吸附在基底上的有机分子和生物样品，如，三梨酸、DNA和蛋白质的表面。海藻酸聚赖氨酸海藻酸(Alginate Poly L-Lysine Alginate,简称APA)胶囊薄膜具有半渗透性，构成可以阻止人体免疫系统的成分进入由APA薄膜构成的胶囊,从而使得胶囊内的物质免受免疫系统的侵害。因此,可采用该薄膜胶囊保护人体内移植的组织,延长其在人体内的存活时间。同时,对药物具有缓释效应。APA薄膜的半渗透性同其表面的超微结构有着密切的联系,研究其表面的超微结构对其半渗透性的研究具有重要的意义。已有文献报道了关于采用原子力显微镜(AFM)对APA薄膜的表面结构进行研究的内容，发现了APA表面的特殊结构，从而揭示了APA表面超微结构对半渗透性的重要意义。目前，利用原子力显微镜(AFM)已获得了DNA、透析薄膜、烷烃分子、脂肪酸薄膜以及多糖等的超微结构的图象。

原子力显微镜(AFM)在细胞生物学中的应用

应用原子力显微镜(AFM)可研究活细胞或固定细胞如红细胞、白细胞、细菌、血小板、心肌细胞、活肾上皮细胞及神经胶质细胞的动态行为。原子力显微镜(AFM)对体外动态细胞的分析具有非凡的能力。这些研究大都把样品直接放置在玻片上，不需要染色和固定,样品制备和操作环境相当简单。用免疫胶体金标记细胞膜则打开了细胞表面抗原高分辨定位之门。原子力显微镜(AFM)细胞成像如：用原子力显微镜(AFM)研究活肾上皮细胞，可在浆膜小斑上以50nm的分辨率观察细胞骨架元素、浆膜浅凹和膜结合丝。用原子力显微镜(AFM)观察血小板的运动,可看到微丝结构、颗粒传输到细胞质外侧及活化中细胞成份的再分配。游走上皮细胞的浆膜可用原子力显微镜(AFM)实时成像。用原子力显微镜(AFM)以50nm的分辨率可观察水中活的或固定的哺乳动物细胞表面骨架结构，在活细胞中可及时跟踪细胞构形的变化，引入药物(秋水仙素)导致的细胞骨架结构表面受体交联(通过IgE抗体与IgE受体结合)等,还可描述细胞骨架力的变化。Parpura等用原子力显微镜(AFM)观察神经元和神经胶质细胞在活体状态下质膜下微丝的运动，由于图像具有直观、实时、动态的特点，从而提出了纳米外科学的概念，即对细胞进行纳米级的人工操作，以达到对病理细胞进行“手术”的目的。应用前景原子力显微镜(AFM)技术在生物学领域的应用有赖于样品制备方法和适合针尖-样品相互作用的缓冲液的研究。原子力显微镜(AFM)现已成为一种获得样品表面结构高分辨率图像的有力工具。而更为吸引人的是其观察生化反应过程及生物分子构象变化的能力。因此，原子力显微镜(AFM)在生物学领域中的应用前景毋庸置疑。而对于原子力显微镜(AFM)技术本身，以下几个方面的进展将更加有利于它在生物学中的应用。大多数生物反应过程相当快速，原子力显微镜(AFM)时间分辨率的提高有助于这些过程的观察。生命科学研究有其自身特点,需设计出适合生物学研究的原子力显微镜(AFM)。高分辨率是原子力显微镜(AFM)的优势。其分辨率在理论上能达到原子水平，但目前还没有实现，如何作出更细的针尖将有助于其分辨率的进一步提高。而随着样品制备技术的完善，原子力显微镜(AFM)必将成为生物学领域中一种常规的研究工具。

参考文献

1. David p Allison Peter Hinter Dorfer and Wenhai Han ,Biomolecular force measurement and the atomic force microscope, Biotechnology 2002 volume:13 issue:1 47-51
2. Thomas E Fisher Andres F Oberhanser, The study of protein mechanics with the atomic force microscope, Biochemical sciences 1999 volume:24 issue:10 379-384
3. 李鸿业夏国伟原子力显微镜及其在生物医学中的应用，滨州医学院学报。1997年第20卷第6期：615－617
4. 刘丽丽王金华刘安伟原子力显微镜对APA生物薄膜超微结构的研究，中国生物医学工程学报。1999年第18卷第1期：30－34
5. 戴燕张平城等人免疫球蛋白G的原子力显微镜观察，中国免疫学杂志。1995年第 11卷1期：45－47
6. 邓国宏徐启旺等细菌波动生长过程的原子力显微镜观察，第三军医大学学报。2000年第22卷11期：1111－1112
7. 候淑莲李石玉原子力显微镜在生命科学研究中的应用，中国医学物理学杂志。2000年第17卷第4期：235－238
8. 王黎明李楠周春喜显微镜家族的新成员－原子力显微镜，军医进修学院学报。1999年第20卷第3期：237－238
9. 鲁玮瑗原子力显微镜对红细胞表面形态的研究，北京生物医学工程。1995年第14期第1卷：232－234
感谢作者：北京大学血液流变学研究中心许晓风

互联网

喜欢作者我要约稿

喜欢作者

打赏方式

原子力显微镜及其在生物学研究中的应用

周锦帆