原子力顯微鏡是Binning等在1986年研制出來的,是一種揭示生物結(jié)構(gòu)與性能的有力工具,具有比傳統(tǒng)電子顯微鏡更高的放大倍數(shù)和很高的分辨率,能對從分子到原子尺度的結(jié)構(gòu)進行三維成象和測量,可以在生理條件下實時進行,甚至能對生物樣品進行納米操縱。原子力顯微鏡越來越多地應(yīng)用到生物領(lǐng)域的各個方面,如生物樣品的形態(tài)結(jié)構(gòu)、動態(tài)觀察、力學(xué)特性、納米操縱等,并且取得了許多令人鼓舞的成果。
用于形態(tài)結(jié)構(gòu)的觀察:由于具有光學(xué)顯微鏡所不具備的高分辨率,同時又不需掃描電子顯微鏡的嚴格制樣要求,原子力顯微鏡AFM已廣泛地應(yīng)用于細胞、蛋白質(zhì)、核酸等生物形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究中。
目前,生物學(xué)家已經(jīng)利用原子力顯微鏡研究活細胞或固定的細胞,如紅細胞、白細胞、心肌細胞、上皮細胞、神經(jīng)膠質(zhì)細胞等,獲得了豐富的信息。對于單個細胞而言,原子力顯微鏡AFM不但能夠提供長度、寬度、高度等形態(tài)方面的信息,而且可以滿足人們對膜上的離子通道、絲狀偽足、細胞間連接等細微結(jié)構(gòu)研究的要求,甚至還可清楚地觀察到膜本身的骨架結(jié)構(gòu)。這些對于進一步研究細胞表面及表面以下結(jié)構(gòu)相互作用很有啟發(fā)性。
原子力顯微鏡還可以觀察蛋白質(zhì)的細微結(jié)構(gòu),測算復(fù)合物中蛋白質(zhì)的大小。早期用原子力顯微鏡AFM研究的膜蛋白是halobacteriumhalobim的紫膜上的視紫紅蛋白,得到視紫紅蛋白在膜上呈二維的六角形排列。原子力顯微鏡還比較成功地觀察了肌動蛋白、血纖維蛋白原、膠元蛋白等游離蛋白質(zhì)分子。隨著探針技術(shù)的不斷改進,觀測到了肌動蛋白分子的螺旋構(gòu)造?，F(xiàn)今用輕敲模式,不僅觀測到70nm長的D帶區(qū),而且區(qū)內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)也能觀察。通過原子力顯微鏡AFM對肌動蛋白聚合、解聚、破裂、彈性系數(shù)變化等過程的觀察,進一步證實肌動蛋白的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對于活細胞的穩(wěn)定性起決定作用。
原子力顯微鏡還可用來研究表層蛋白結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系,特別是通過單個蛋白構(gòu)象在不同條件下的改變,來闡明結(jié)構(gòu)與功能間的關(guān)系。
原子力顯微鏡AFM已經(jīng)成為研究核酸分子結(jié)構(gòu)的重要工具。原子力顯微鏡可以清晰地觀察在體外生理狀態(tài)下的各種DNA分子的三維結(jié)構(gòu),并可估算出分子的寬度和高度,尤其在高度上可以精確地測算,更重要的是原子力顯微鏡AFM可以對單個的長度在10kb或者更長的DNA分子進行分析。
近年來,原子力顯微鏡也對一些特殊的DNA分子,如DNA與蛋白質(zhì)的復(fù)合物(染色質(zhì)2染色體)進行研究,取得了許多有價值的結(jié)果。原子力顯微鏡AFM觀察到自然狀態(tài)下的染色質(zhì)纖維及重組的染色質(zhì)纖維,得到了核小體中心顆粒精細結(jié)構(gòu)的圖象,圖象顯示核小體呈Z形排列,相鄰顆粒中心距離恰好為11nm。通過染色質(zhì)纖維的原子力顯微鏡成象及纖維結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量分析,認識到只有在組蛋白存在時,DNA才能甲基化,誘導(dǎo)染色質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)改變。由于在生理條件下,利用原子力顯微鏡AFM觀察到的圖象更加逼真地反映出生物的形態(tài)特征,所以原子力顯微鏡在生物的形態(tài)觀察方面優(yōu)于其它顯微鏡。