单分子荧光检测在生命科学中的应用

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1、万方数据单分子荧光检测在生命科学中的应用+曲鹏赵新生’(北京大学化学学院化学生物学系北京100871)摘要文章对单分子荧光检测在分子马达、离子通道、信号分子、蛋白折叠、蛋白构象变化动力学、酶活性反应、细胞过程实时观察等生命科学领域中的应用进行了介绍，这些研究结果表明，单分子荧光检测在研究生物太分子的括动规律与机制方面不但有着无法替代的优越性，而且有着广阔的发展空问．关键词单分子荧光检测，生命科学，荧光共振能量传递．蛋白质，细胞Applicationsofsinglemoleculefluoresce

2、ncedetectioninlifescienceQUPengZHAOXin—Sheng’(Deram,,e呲西ChemwaIBiology。College茸chemlmyandMdm曲砸?乒怕g讯g。pe．“ngUnb哪卸，，B咖1∞871，chi触)AbstractTheimportantdevelopmentsandapplicationsofsindemoleculefluoresceno*detection(SMFD)arediscussed，coveringapplicationsinm

3、olecularnlotor8，ionchannels，sisnulmolecules，proteinfolding，dynamicsofproteinconformatinnulchangeandenzymereaction，andreal—timeobservationofcellprocesses．TheseresultsillustratetheuniqueadvantagesofSMFDanditsbri西nfutureinlifescienceresearch．Keywordssingl

4、emoleculefluorescencedetection，lifescience，fluorescenceDD$OHam_Ceenergytransfer，pro-rein，cell经过二十多年的发展，单分子检测为揭示物理学、化学、特别是生命运动的规律提供了重要的手段，成为人们日益关注的现代科学研究技术．事实上，自上世纪初爱因斯坦解释布朗运动起，单个分子的行为就引起了科学家们的注意．但直到1959年，单个原子或分子操纵与检测的概念才由费曼提出，有逸闻说他还为此提供了两笔IOCO美元的奖金．真正意

5、义上的单分子检测是在1976年。Neher和Sak-matinLlo成功地检测到单个离子通道的电信号并开创了膜片钳技术，从而获得了1991年的诺贝尔生理和医学奖．另一方面，赫施费尔德也在1976年用全内反射光学的方法观察到标记了80到100个荧光素的单个抗体分子”J，开启了单分子光学研究的大门．早期的单分子检测主要集中在低温条件下，主要原因是在液氦温度下背底干扰小，并可对单个分子进行长时间观察，获得高分辨荧光光谱．1993年，Betzig和Chichester口1率先在室温下用近场光学手36卷(20

6、07年J11期段观察到单个分子，为单分子光学检测进入生物领域奠定了基础．《物理》曾于2000年发表过介绍单分子光学检测的文章”1，本实验室也曾于1999年和2005年两次在《大学化学》上撰文对单分子光学检测予以介绍”一】．到目前为止，单分子光学检测应用于生命科学的文献已经非常浩繁，本文拟择要介绍一些单分子荧光检测方法在生命科学中应用的进展，并不再重复上面谈到的三篇文章中已经讨论过的基础知识．1单分子荧光检测技术基于低背景和高信噪比，激光诱导荧光已成为·国家自然科学基金(批准号：20333010，30

7、490172)和国家重点基础研究发展计划(批准号：2006CB910300)资助项目2007—07～02收到t通讯联系人．Emil：z．hac日m@pku．e札calhttp：／／www．wu]i．∞．cn·879·万方数据实验技术单分子光学检测中最广泛应用的手段．一般荧光分子激发态的寿命在纳秒量级，在激光激发下，分子可以反复吸收、发射光子，直到发生各种原因造成的光漂白．在理想情况下，一个稳定的分子在光漂白前大约能发出105一106个荧光光子，利用高数值孔径物镜和高效单光子计数雪崩光电二极管(APD

8、)，能接收到约5％--10％的荧光光子．这样，从一个“表现”好的荧光分子上可以收集到5000到50000个光子，这一数目足以让人们进行单个分子的探测、光谱辨认和对反应的实时监测．对于生物大分子如蛋白质和核酸，可以用荧光分子标记来达到单个分子检测的目的，常见的荧光分子主要包括有机染料小分子、荧光蛋白、共轭高分子等．近年来，人们还发展出一些新的荧光物种，如量子点、树枝状高分子，小肽片段等．根据单分子荧光检测的原理和挺高信噪比的要求，人们发展出了各种单分子荧光榆测的方法和数