原子力顯微鏡在單分子研究中的應(yīng)用

1、原子力顯微鏡在納米生物學(xué)研究中的應(yīng)用原子力顯微鏡在納米生物學(xué)研究中的應(yīng)用蔣青青1張利娟2張鈺1郭彥1任煒1張曉暉1王鑫艷1?１(1中國(guó)科學(xué)院生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所上海2000312重慶市畜牧科學(xué)院重慶402460)摘要原子力顯微鏡(atomicfcemicroscopeAFM)自從1986年發(fā)明以來，作為一種重要的單分子研究工具，在包括細(xì)胞粘附、蛋白折疊以及蛋白間的相互作用等生物學(xué)過程的研究中得到了廣泛應(yīng)用。本文主要介紹原子力顯微鏡

2、的原理，著重于研究相互作用時(shí)能壘大小的確定，以及常用的單分子表面修飾方法。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞原子力顯微鏡(AFM)單分子能壘表面修飾1引言蛋白之間正常的相互作用是機(jī)體發(fā)揮其生理學(xué)功能的基礎(chǔ)。目前的生化方法可以檢測(cè)出蛋白間相互作用的親和力或速度常數(shù)。盡管這些方法可以估測(cè)出蛋白相互作用的速率和自由能的指標(biāo)，但是它們不能檢測(cè)相互作用動(dòng)力學(xué)的重要特征，而那些恰恰可以揭示各種不同的中間態(tài)或替代反應(yīng)途徑。近幾十年，很多可以直接用于測(cè)量生物分子間相互作用這

3、一動(dòng)態(tài)過程的高分辨率的技術(shù)迅速發(fā)展，包括原子力顯微鏡、光鑷和生物膜力學(xué)探針等單分子技術(shù)。其中，原子力顯微鏡擁有低至納米和微秒水平的超高分辨率，為實(shí)時(shí)測(cè)量單分子間的相互作用提供了新的途徑[12]。采用單分子技術(shù)避免了其他方法的內(nèi)在缺陷，使實(shí)時(shí)檢測(cè)單個(gè)分子間的相互作用成為可能[134]。因此單分子技術(shù)無疑成了理解控制蛋白間結(jié)合、解離和過渡態(tài)能級(jí)圖的有力工具[25]。此外，在細(xì)胞表面，外力作用可以不斷的拉伸分子。比如細(xì)胞遷移時(shí)，利用單分子技術(shù)

4、，可以觀察在牽引力誘導(dǎo)下細(xì)胞表面粘附受體受到粘附和去粘附的循環(huán)過程[6]。而傳統(tǒng)的生物技術(shù)要揭示蛋白間相互作用的內(nèi)力和外力的影響往往難以實(shí)現(xiàn)[7]。但是，采用原子力顯微鏡之類的單分子工具，則可以直接測(cè)收稿日期:20100105接受日期:2010831中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目百人計(jì)劃(No.0813S11411)資助項(xiàng)目?通訊作者。Tel:02154921192Fax:02154921191Email:xinyanwang200

5、8@Fig.1Schematicoftheatomicfcemicroscope(AFM)一束激光直接打在微懸臂上，繼而反射到裂像光電二極管上面，通過不同的AB信號(hào)就反映出施加給探針的力。微懸臂小位移時(shí)遵從胡克定律，所以微懸臂彈性系數(shù)校正后的光電二極管信號(hào)即反映了探針和樣品間的相互作用力。2.2典型的原子力顯微鏡力曲線典型的原子力顯微鏡力曲線采用力掃描模式，原子力顯微鏡可以在單分子水平測(cè)定兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立表面間的相互作用，出現(xiàn)就是典型的原子

6、力顯微鏡力曲線。當(dāng)微懸臂上抬時(shí)，通過測(cè)量相對(duì)于“零點(diǎn)力”的偏移量，得到懸臂接觸表面后返回的曲線，從而得到單個(gè)蛋白復(fù)合體間分開的力(圖2)。在很多實(shí)驗(yàn)中，微懸臂的移動(dòng)速度達(dá)到每秒幾個(gè)微米時(shí)，力的曲線通過測(cè)定微懸臂速度就可得到。由于介質(zhì)中存在阻力，微懸臂在自由接近和向后拉時(shí)將經(jīng)受一個(gè)與速率成比例的彎曲常數(shù)。阻力不僅取決于微懸臂的速率和隨溫度變化的介質(zhì)的粘性，還取決于微懸臂的自身特點(diǎn)、樣品的形貌、以及微懸臂與樣品的接觸和分開過程[11]。采用