AFM单细胞单分子形貌成像的研究进展-论文.pdf

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1、讲学屯苏2013年第58卷第18期：1711—1718www．scichina．comcsb．scichina．corn。AFM单细胞单分子形貌成像的研究进展李密∞，刘连庆，席宁①，王越超①，董再励①，肖秀斌④，张伟京④①中国科学院沈阳自动化研究所，机器人学国家重点实验室，沈阳110016；②中国科学院大学，北京100049；③香港城市大学机械与生物医学工程系，香港；④军事医学科学院附属医院淋巴科，北京100071联系人，E—mail：lqliu@sia．cn；xin@egr．msu．edu；zhangwj

2、3072@163．com2013—02—20收稿，2013．04—22接受国家自然科学基金(61175103)和中国科学院、国家外国专家局创新团队国际合作伙伴计划资助摘要原子力显微镜(AFM)的出现为研究单个活细胞和单个天然态膜蛋白的生理活动行为提关键词供了新的工具，它可以在溶液环境下对自然状态的生物样本进行高分辨率免标记探测，是对光原子力显微镜学(荧光)显微镜、电子显微镜、x射线结晶等传统生化实验技术的有力补充，已成为细胞生物单细胞单分子膜蛋白学和分子生物学的重要研究手段．对生物样本的表面形貌进行成像是A

3、FM在生物学领域的基形貌本应用．自20世纪90年代初期以来，各国研究人员利用AFM对活细胞和天然膜蛋白的形态高分辨率成像特征进行了大量创新性的研究，给生命科学带来了大量前所未有的新成就，同时AFM的性能也在不断得到改进和提高，极大地拓展了其在生物学领域的应用．本文结合作者在AFM活细胞形貌成像方面的研究工作，介绍了AFM单细胞单分子成像实验中的样本制备技术，总结了近年来AFM用于活细胞和天然态膜蛋白形貌成像取得的进展，讨论了AFM单细胞单分子高分辨率成像面临的挑战．原子力显微镜(AFM)ll的发明为研究单细

4、胞单分态变化[5l，而动态性正是细胞分子生理活动中的基本子的生理活动提供了新的工具．普通光学显微镜的特征『6】．与上述传统实验技术相比，AFM具有纳米级主要缺点是空间分辨率低，其极限分辨率为200nm，的空间分辨率，可在溶液环境下对活体状态的细胞难以满足人们对细胞超微结构的观察需要．虽然通和天然状态的膜蛋白进行免标记连续动态观测，并过单分子荧光显微术可以追踪活细胞上单个分子的能观测目标分子所处的微环境，且样本制作简便，易活动，但单分子荧光显微术的实验结果本质上仅能于操控，这些优点使得AFM一经出现便吸引了广

5、大反映目标分子上连有荧光素的部位的活动情况，且科研人员的注意．各国学者利用AFM在单细胞单分荧光技术还无法观察到目标分子所处微环境的行为子尺度进行了广泛的研究，获得了大量前所未有的变化『2】，而微环境在目标分子实现其生物学功能中起知识，使人们对生命活动的本质有了更进一步的认着关键性的作用I3】．电子显微镜的主要缺点是只能对识，同时也为疾病诊断和药物研发提供了新的思路脱水干燥的样本进行成像，无法对活体状态的细胞和方法．经过近30年的发展，AFM已成为一个多功进行成像，虽然环境扫描电子显微镜(ESEM)可以对能

6、工具箱1，它不仅可以对样本的表面形貌进行高分含一定水分的样本进行观察，但目前还无法实现对辨率成像，还可以测量得到多种生理参数，如细胞机活细胞的成像[4】．x．射线的主要缺点是只能提供静态械特性、受体一配体结合力、细胞表面受体分布密度、的蛋白分子三维结构，不能观察蛋白分子结构的动膜蛋白的结构和力学特性等，是对传统生化实验手段引用格式：李密，刘连庆，席宁，等．AFM单细胞单分子形貌成像的研究进展．科学通报，2013，58：171l一1718英文版觅：LiM，LiuLQ，XiN，eta1．ProgressofAF

7、Msingle-cellandsingle-moleculemowh~ogyimaging．ChinSciBull，2013，58，doi：10．1007／s11434-013-5906一z讲学屯担2013年6月第58卷第18期的重要补充．在AFM的诸多功能中，对生物样本的究人员提出了利用MEMS工艺加工的微坑【1来对单表面形貌进行成像仍然是目前AFM在生物学领域的个动物悬浮细胞进行固定．虽然微坑可以在水平方基本应用．本文结合作者在动物悬浮活细胞AFM成向帮助细胞抵挡扫描探针施加侧向力的影响，但在像方面的工

8、作，以活细胞和天然膜蛋白的表面形貌垂直方向上还缺少基底对细胞的吸引力，因而在对成像为切入点，总结了近年来AFM在单细胞单分子细胞进行成像时，细胞会在微坑内移动甚至还会被成像方面取得的研究进展，对AFM技术面临的挑战带出坑外，以至于无法对坑内细胞的表面形貌进行进行了展望．高质量的AFM成像．针对难以对动物悬浮细胞进行成像的问题，我们发展了一种结合MEMS微柱机械1样本制备技术夹持和多聚赖氨酸静电吸附的动物悬浮细胞固