原子力显微镜单分子力谱研究生物分子间相互作用

原子力显微镜单分子力谱是近年来发展起来的能在单分子水平研究生物分子相互作用的新工具。本文综述了单分子力谱的测定原理、方法及其在研究蛋白．蛋白、蛋白-DNA相互作用,蛋白质去折叠和活细胞上配体／受体结合中的应用进展。     

AFM单分子力谱技术及其在活体细胞和菌体表面生物大分子研究中的最新进展

生命活动过程与生物分子内或生物分子间机械力的作用密不可分.原子力显微镜具有极高的力学分辨率,可以在近生理条件下对生物样品进行力学测量,是研究生物体系力学相互作用的理想工具.基于原子力显微镜的单分子力谱(AFM-SMFS)技术可以在单分子、单细胞水平测量生物分子内或生物分子间的相互作用.本文首先扼要介绍了AFM-SMFS技术,包括AFM-SMFS的基本原理、力谱测量及分析方法(蠕虫链模型、自由连接链模型和自由旋转链模型)以及探针的化学修饰方法(硅/氮化硅探针和镀金探针的修饰);重点介绍了利用AFM-SMFS技术对活体细胞表面蛋白(转化生长因子β1、CD20、热休克蛋白以及蛋白酪氨酸激酶)和糖类分子(葡萄糖和甘露糖)的近期研究进展;随后介绍了利用AFM-SMFS技术对活菌体表面蛋白(肝素结合血凝黏附素和Als5p黏附蛋白)和糖类分子(半乳糖、甘露糖、B族碳水化合物、荚膜多糖、α-甘露聚糖、β-甘露聚糖、β-葡聚糖以及几丁质)的近期研究进展;最后对AFM-SMFS技术的缺点和发展前景进行了总结和展望.     

单分子装置：传感器、连接器、致动器

生物大分子之所以可以实现生物学功能是与其独特的力学性质息息相关的。作为纳米科技领域一个重要工具,原子力显微镜（AFM）可以对纳米尺度的生物大分子进行操纵并检测其力学性质。本文介绍了利用原子力显微镜对几类特殊蛋白以及DNA的力学性质的研究结果,发现这些生物分子具有很好的力学传感、连接和致动能力,将来有望作为单分子装置在纳米世界发挥更多功用。     

利用原子力显微镜识别成像

细胞膜和细胞内特异蛋白的有效定位与定性,对于了解细胞运动、移植和分化等机制及细胞之间的相互作用非常关键。原子力显微镜灵敏的力学性质在研究生物分子的相互作用和特定分子的免疫识别中得到了广泛的应用,在细胞表面的特异性分子的定位过程中,不像免疫荧光成像一样需要复杂的样品准备,更重要的是能有效地进行特异性和非特异性的识别,并对识别位点可视化。本文从分子识别、功能化探针、基于力-体积成像及与动态力学显微镜结合成像等模式方面,综述了原子力显微镜在生物应用中的识别成像。     

原子力显微镜及其在肿瘤研究中的应用

原子力显微术是一种利用原子、分子间的相互作用力来观察物体表面超微结构的新型实验技术.介绍了原子力显微镜作为一种显微探测和操纵工具的主要特点及其在肿瘤研究中的优势,评述了国内外有关原子力显微镜在肿瘤的诊断、治疗、抗肿瘤药物开发等研究中的应用情况,展望了原子力显微镜应用于肿瘤单细胞研究的前景.     

鉴定水稻中一个新的专一结合GCC元件的AP2/EREBP族转录因子

TSH1,是通过搜寻GenBank的EST库而获得的一个来源于水稻的含AP2/EREBP保守结构域的蛋白质.为了详细分析TSH1蛋白与其DNA顺式元件的结合特性,首先采用传统的凝胶阻滞实验和酵母单杂交技术,证实TSH1在体内和体外均专一性地结合于GCC元件,然后利用原子力显微镜技术精确测量了TSH1蛋白与GCC元件在单分子水平的相互作用力.结果表明,GST-TSH1与DRE元件没有特异性的结合,而GST-TSH1与GCC元件结合力的大小为(83.9±2.2)pN,这种特异性的结合可以被加入的游离TSH1蛋白明显降低.GST蛋白和突变GCC元件作为负对照显示出与GCC元件无特异性作用力.以上结果充分证明,TSH1是专一性地与GCC元件相作用的转录因子,而且原子力显微镜对于检测转录因子与DNA相互作用时单碱基的突变十分灵敏.通过比较几种评估转录因子与DNA顺式元件结合特异性的方法,阐述了原子力显微镜技术的特点及优越性.     

肌动蛋白的原子力显微镜研究

原子力显微镜 (AFM )是一种能够在生理条件下对生物大分子、活细胞表面以及细胞膜下结构进行在体或离体研究的强有力的新型工具 ,具有原子级的成像分辨率和纳牛顿级的力测定功能。目前原子力显微镜已被广泛地应用于生物大分子、超分子体系的结构解析、动力学过程观察 ,分子力学研究及细胞功能鉴定。原子力显微镜能够通过尖锐探针扫描待测样品表面 ,收集被测样品表面地貌坐标数据从而对单分子或细胞进行成像或操作 ,并能通过移动探针、记录探针与样品之间的作用力 ,对生物大分子 (蛋白质、核酸和多糖等 )的结构力学特性进行分析以获取分子构象、功能及其相互关系的有用信息。肌动蛋白是一种细胞内普遍存在 ,具有广泛、复杂生理功能的重要蛋白质 ,原子力显微镜的各项功能已广泛地用于肌动蛋白结构、功能及动力学研究。通过综述原子力显微镜在肌动蛋白研究中的应用 ,阐明了原子力显微镜在现代生命科学研究中的重要意义及巨大应用前景。     

原子力显微镜研究粘附分子与细胞膜上整合素分子的相互作用

目的：研究肝癌细胞弹性变化对其表达的整合素分子与配体分子相互作用的影响。方法：以壳聚糖/ 聚丙烯酰胺水凝胶作为 可变基底材料,并将人肝肿瘤细胞（HepG2）接种到不同软硬度壳聚糖/ 聚丙烯酰胺水凝胶基底上,利用原子力显微镜力与距离模 式定量测定不同软硬基底上生长的HepG2 肝瘤细胞膜表面整合素分子与层粘连蛋白分子之间相互作用力。结果：功能化的原子 力显微镜探针与不同软硬基底上生长的细胞所产生的粘附情况不相同,细胞生长在培养皿的为对照组;细胞生长在硬度为1000 Pa 壳聚糖/聚丙烯酰胺水凝胶基底上的为实验组,表达在HepG2 肝瘤细胞膜上的alpha-6-beta-1 整合素与其配体层粘连蛋白相互作用力 的大小分别为19± 7 pN和38.85± 19.7 pN。结论：基底软硬度会影响细胞整合素与配体分子间的相互作用。     

生物物理新技术新方法在LB 膜结构与功能研究中的应用

现代生物物理技术与方法的发展为LB膜科学的基础研究提供了丰富的手段,使单分子膜科学取得了令人瞩目的进步。文章就单分子膜研究领域中物理新技术与新方法如LB膜仪、表面粘度计、X射线与中子散射技术、布鲁斯特角光学显微镜、电子显徽镜、原子力显微镜等的基本实验原理及其在单分子膜物理特性与功能研究中的应用作简单介绍;并鉴于各种仪器的优缺点,作者提出了多仪器联合对单分子膜进行研究的方案和前景进行了探讨。     

活细胞单分子实时视见研究

我们对细胞生物学与分子生物学中有关分子事件和相互作用的认识,大部分都是集团平均水平研究的结果,并且基于所有的分子在给定时间内以完全相同的方式运动这样一种不真实的假设。现在,激光技术和全内反射显微镜的应用,以及绿色荧光蛋白(green fluorescent proteins,GFPs)等新的分子荧光探针的出现,使得显示活细胞单个生物分子的运动行为和轨迹成为可能。单分子水平的研究将会加深人们对分子和细胞生物学的基本概念的认识。     

核糖体失活蛋白与超螺旋DNA相互作用的原子力显微镜直接观察

运用原子力显微镜研究了核糖体失活蛋白 (RIP)与超螺旋DNA相互作用 ,发现这类毒蛋白 (克木毒蛋白和蓖麻毒蛋白A链 ) ,既能与超螺旋形式的DNA结合 ,又能结合在超螺旋DNA分子中未解旋的双链环区 .在与超螺旋DNA结合后 ,引起超螺旋DNA构象变化以利解旋并与双链DNA结合 ,进而将松弛的DNA双链切成缺口或线性形式 .这说明RIP是一种超螺旋DNA结合蛋白 ,并表现出依赖超螺旋的DNA内切酶活性     

SSB蛋白与ssDNA相互作用的动力学和可视化研究

研究大肠杆菌单链结合蛋白(single-stranded DNA-binding protein,SSB)与单链DNA(single-stranded DNA,ssDNA)的相互作用对于了解其在DNA复制、重组和修复中的作用是非常重要的。通过表面等离子共振技术(surface plasmon resonance,SPR)得到了在有、无镁离子的情况下,SSB与ssDNA两者的平衡解离常数(equilibrium dissociation constant,KD)分别为9.67×10-7M和4.79×10-7M,阐明了镁离子对于两者作用形式的影响。利用原子力显微镜技术分别观察SSB蛋白、ssDNA和SSB-ssDNA复合物的成像,为下一步研究SSB在DNA代谢中作用模式的单分子可视化奠定了基础。     

见微知著:单分子力谱技术窥探蛋白质分子动态功能北大核心CSCD

蛋白质的动态功能调控并决定着细胞的生理和病理过程。其不仅受到蛋白质本身生物化学特性的影响,还受到生物体内复杂的生物力学微环境的动态调控。这些生物力因素主要通过耦联生物化学特性来改变蛋白质的动态相互作用、构象变化以及后续的信号传导。近些年来,单分子力谱检测技术突破了传统生物化学技术的限制,在单分子水平有效地研究生物力学——化学耦联调控下的蛋白质动态功能。本文详细介绍了4种代表性的单分子力谱检测技术(原子力显微镜、光镊、生物膜力学探针以及磁镊),着重介绍这些技术在蛋白质动态功能研究方面的典型应用,主要包括蛋白质动态相互作用,蛋白质动态构象变化以及信号传导等。同时,本文还介绍了几种常用的基于上述单分子检测技术的单分子力谱检测方法,主要用于定量检测蛋白质相互作用、构象变化等生物化学过程的分子动力学参数。最后,本文还简要讨论了单分子力谱检测技术的未来发展方向,特别是如何与其他研究手段的有机整合,更全面地研究蛋白质的动态功能。我们希望该综述能够给更多的生物化学家带来新的概念和工具,帮助更全面地研究蛋白质的动态特性。     

见微知著:单分子力谱技术窥探蛋白质分子动态功能

蛋白质的动态功能调控并决定着细胞的生理和病理过程。其不仅受到蛋白质本身生物化学特性的影响,还受到生物体内复杂的生物力学微环境的动态调控。这些生物力因素主要通过耦联生物化学特性来改变蛋白质的动态相互作用、构象变化以及后续的信号传导。近些年来,单分子力谱检测技术突破了传统生物化学技术的限制,在单分子水平有效地研究生物力学——化学耦联调控下的蛋白质动态功能。本文详细介绍了4种代表性的单分子力谱检测技术(原子力显微镜、光镊、生物膜力学探针以及磁镊),着重介绍这些技术在蛋白质动态功能研究方面的典型应用,主要包括蛋白质动态相互作用,蛋白质动态构象变化以及信号传导等。同时,本文还介绍了几种常用的基于上述单分子检测技术的单分子力谱检测方法,主要用于定量检测蛋白质相互作用、构象变化等生物化学过程的分子动力学参数。最后,本文还简要讨论了单分子力谱检测技术的未来发展方向,特别是如何与其他研究手段的有机整合,更全面地研究蛋白质的动态功能。我们希望该综述能够给更多的生物化学家带来新的概念和工具,帮助更全面地研究蛋白质的动态特性。     

单分子层次上相互作用自动检测

任何生命过程都与分子间相互作用有关。这些相互作用决定了生物分子间的＂交流＂方式,组成了生物过程的基本语言。Müller教授研究组发展了一种全自动＂机器人＂（一种全自动原子力显微镜）,可以通过检测细胞上的＂分子机器＂分析分子间相互作用。为了实现这样的目标,该仪器需要将不同的空间尺度联系起来：宏观尺度的悬臂利用其微观尺度的针尖与纳米尺度的蛋白质相接触,进而在亚纳米的尺度上定位与检测分子间相互作用。这项技术能够帮助人们以亚纳米尺度的分辨率定位细胞内分子机器的相互作用位置,并且观察分子间相互作用如何驱动这些分子机器行使功能。在药物筛选研究领域,该技术可以被用来检测配体以及抑制剂与蛋白质结合的位点和强度,还可以检测受体的不同功能状态。     

炎症反应中选择素粘附分子与配体间相互作用的研究

在炎症反应中,白细胞在内皮细胞上滚动由选择素分子与其配体分子相互作用所导致,选择素分子有3种,P选择素分子（P—selectin）、E选择素分子（E—selectin）、L选择素分子（L—selectin）,选择素分子与其对应的P-选择素糖蛋白配体-1（PSGL-1）的相互作用起着重要的作用。用等离子共振、流动腔、原子力显微镜等技术能定量分析选择素分子与其配体分子相互作用的动力学反应。     

用原子力显微技术研究受体-配体间的相互作用

原子力显微镜(AFM)不仅能对纳米生物结构进行实时动态的形态和结构观察,而且还能以10^-12N(pN)的精度对溶液中生物分子表面的相互作用力进行直接测量,逐渐成为一种研究受体-配体间相互作用的良好工具。本简要综述用AFM研究受体-配体间作用力、受体-配体间相互作用的影响因素及对这些因素的处理方法。     

纳米-TiO2对变异链球菌和白色假丝酵母菌抗菌机制的研究

目的 采用原子力显微镜对应用抗菌剂纳米Ag-Ti02作用后的口腔两种常见致病菌的分子形貌进行观测,为研究其抑菌机制提供有力的直观影像科学依据和可靠、直观的实验方法.方法 选择两种菌种:白色假丝酵母菌、变形链球菌,采用液体稀释法将纳米Ag-TiO2与两种菌相互作用,分别使用光学显微镜、原子力显微镜观察两种菌的细胞微观形态变化.结果 抗菌剂与两种菌作用后,细菌形态均有不同程度的改变,甚至是死亡.结论 原子力显微镜能直观地显示白色假丝酵母菌,变形链球菌的分子结构,通过本实验在研究纳米Ag-TiO2抗菌剂对白色假丝酵母菌,变形链球菌的抑菌机理形态学改变方面做了进一步的完善.     

细胞膜表面单分子事件的实时观察

单分子实时检测以高分辨率显微镜及纳米操作技术为支撑,实现在微观世界单分子水平探索和阐明生命现象的本质,进而展现生命科学的全景。本文综述了近年来单分子成像和检测领域的技术进展,以及将这些技术和创新方法在活细胞膜表面单分子事件研究中的应用,如蛋白质扩散、蛋白折叠动力学、膜受体装配及近膜区囊泡运动等。     

超高分辨率显微镜推进纳米生物学研究

超高分辨率显微镜是近年来生命科学领域重要的研究手段之一。2014年诺贝尔化学奖颁发给超高分辨率显微技术领域的三位科学家,以表彰他们在该领域所作出的杰出贡献。超高分辨率技术的典型代表有受激损耗、结构光照明以及单分子定位等。这些技术的出现使得传统光学显微镜难以分辨的细胞器、分子等细节信息可以被观察到,帮助科学家从纳米尺度认识细胞内分子结构、定位以及相互作用。