扫描探针显微镜及其在生物医学研究中的应用

本文介绍了一类可以从原子水平到微米尺寸观察物质结构的三维成像工具——扫描探针显微镜(SPM),重点介绍了扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)的基本原理,以及SPM在细胞生物学、核酸和小分子成像等生物医学研究领域的一些应用。SPM不久将可能成为大多数生命科学实验室的一项重要技术。     

用扫描隧道显微镜观察一些生物分子的结构

扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscopy,简称STM)是八十年代初发展起来的研究物质表面结构的新型显微镜和表面分析仪器。它不仅使我们的视野延伸到了原子的尺度,同时也打开了许多广阔的研究与应用领域。它是由IBM苏黎世实验室的G. Binnig和H. Rohrer等人发明的。1981年他们研制成第一代STM,1983年用它首次得到了实空间的Si(111)7×7重构表面的原子分辨图像,从而轰动了科学界。G. Binnig和H. Rohrer也因做出的巨大贡献而荣获了1986年度诺贝尔物理奖。此后,STM在实验和理论方面都有很迅速的发展,目前STM已派生出多种扫描显微镜,例如     

钝顶螺旋藻中一种新的模型藻胆体

以钝顶螺旋藻为材料 ,分离得到完整的藻胆体 ,然后用扫描隧道显微镜(STM)对其结构进行研究 .结果表明钝顶螺旋藻藻胆体的结构与传统的半圆盘状结构模型不同 ,藻胆体的杆不是排列在同一平面内 ,而是呈放射状向空间的各个方向伸展 ,藻胆体的直径为 70nm左右 ,杆的长度为 5 0nm左右 ,并且可清楚地观察到藻胆体的杆中圆盘状的藻胆蛋白面对面的聚集在一起 .从藻胆体LB膜的STM图像中也观察到了相同的结果 .藻胆体解离之后 ,STM图像中没有完整藻胆体的结构特征 ,进一步证实前面得到的是完整藻胆体的STM图像 .Chang等人用计算机模拟方法构建了这种放射状结构的藻胆体的理论模型 ,首次用扫描隧道显微镜从三维实空间直接观察到钝顶螺旋藻中这种结构模型的藻胆体的存在 ,并对这种放射状模型的藻胆体的功能进行了讨论 .     

跳跃探针式离子电导显微镜技术及其在生物学研究中的应用

跳跃探针式离子电导显微镜(hopping probe ion conductance microscopy,HPICM)技术是一种新型的扫描探针显微镜(scanning probe microscopy,SPM)技术,其能够在生理条件对形态复杂的活体生物样品进行非接触式的纳米尺寸成像。这项新技术克服了传统扫描离子电导显微镜(scanning ion conductance microscopy,SICM)连续负反馈控制会造成样品和探针损坏的缺点,扩大了SICM在生物学研究中的应用范围。本文综述了HPICM技术的基本原理,结合国内外研究现状介绍了HPICM在生物学领域的应用,并对其发展趋势进行了展望。     

胆固醇对脂双层结构影响的SAXS和STM研究

用小角X射线散射（SAXS)和扫描隧道显微镜（STM）技术分别研究了模拟生物膜脂质体的结构以及胆固醇对生物膜双层结构的影响。结果表明,在扫描隧道显微镜照片中,磷脂分子在石墨表面形成规则的二维点状排列图像;磷脂胆固醇脂质体在石墨表面形成规则的二维波纹状排列图像。用小角X射线散射研究结果表明,DPPC脂质体是片层相结构,DPPC＋Chol脂质体是复相片层结构,DPPE＋Chol脂质体是片层立方相结构,DPPC＋DPPE＋Chol脂质体是立方六角形相结构。     

扫描介电成像技术及其在生物体系的应用

通过实例介绍了近一二年新开发的一种扫描探针显微技术——扫描介电显微镜(SDM)的基本原理、测量系统的构造和特点,并扼要地展望了它在生物体系及医学上的应用潜力.     

免疫球蛋白G(IgG)分子结构的扫描隧道显微镜观察

把溶于双蒸水的兔IgG铺展在高定向石墨(HOPG)底载上,直接用扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscopy,简称STM)在大气环境中观察,得到了IgG分子的表面结构图像。从图像上可清晰地分辨出IgG分子的Fab及Fc片段,片段连接处的"铰链区"以及Fab和F_e片段的某些精细结构(IgG分子功能辖区)。本工作表明STM在研究生物大分子天然结构方面有巨大潜力。     

海洋红藻多管藻R—藻红蛋白的体外聚集特性

将海洋红藻R 藻红蛋白 (R PE)吸附到刚揭开的高定向石墨 (HOPG)表面上 ,然后用扫描隧道显微镜 (STM)在纳米尺度上进行直接观察 ,发现纯化的R 藻红蛋白在体外自然聚集时 ,能够“面对面”的聚集在一起 ,形成非常规则的类似藻胆体的杆状结构。将R PE溶于 2 %酒精 /水的混合液中 ,然后滴加于空气 /水界面上 ,具有很好的成膜性能。STM观察结果表明 ,R PE的分子在Langmuir Blodgett膜中的排列方式与其在自然状态下的聚集方式类似 ,圆盘状的R PE分子面对面的聚集在一起形成类似藻胆体的杆状结构 ,这些“杆”状结构进一步聚集在一起形成膜。以上结果表明 ,藻胆蛋白分子在体内以藻胆体的形式存在 ,除了连接肽的作用之外 ,藻胆蛋白自身的结构特性而导致的分子与分子之间的相互作用 ,在藻胆体的组装过程中也起着重要的作用     

人食管癌细胞株PTEN的激光共聚焦扫描显微镜检测

目的对人胚食管上皮永生化细胞株SHEE、SHEEMT、食管癌细胞株EC8712中PTEN表达情况进行定量比较和定位观察.方法采用激光共聚焦扫描显微镜光学切片和荧光探针的双重标记技术对三株细胞中PTEN的表达和分布情况进行检测.结果人食管癌细胞中PTEN主要表达在细胞浆和细胞核,在人胚食管癌上皮永生化细胞株SHEE、SHEEMT主要表达在细胞浆,食管癌细胞EC8712中细胞核表达增多,差异有统计学意义(P<0.01);PTEN在三种细胞株中表达强弱顺序为SHEE>SHEEMT>EC8712,差异有统计学意义(P<0.01).结论PTEN在SHEE、SHEEMT和EC8712分化程度不同的细胞株中均表达,表达和分布位置与分化程度相关.     

扫描隧道显微镜及其在生命科学中的应用

扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope—STM)是一种基于量子隧道效应的新型电子显微镜,它的横向空间分辨率可达1(?)级,能获得原子水平的表面结构信息。自从它的发明者G.Binnig和H.Rohrer获得了1968年诺贝尔物理奖后,STM的发展和应用更是与日俱增,其不仅引起物理学家的广泛兴趣,也受到其他学科科学家的高度重视。STM的设计思想新颖,结构小巧,投资少,效益大,且有最高的原子级的空间分辨率,无疑是表面科学的理想研究工具。STM具有一系列比传统电子显微镜更为优越的特点,例如STM只是利     

Investigation of the mechanism of temperature sensitivity of the electroreceptors of ampullae of lorenzini

In experiments on Black Sea skates (Raja clavata), the potential of the receptor epithelium of the ampullae of Lorenzini and spike activity of single nerve fibers connected to them were investigated during electrical and temperature stimulation. Usually the potential within the canal was between 0 and –2 mV, and the input resistance of the ampulla 250–400 k. Heating of the region of the receptor epithelium was accompanied by a negative wave of potential, an increase in input resistance, and inhibition of spike activity. With worsening of the animal's condition the transepithelial potential became positive (up to +10 mV) but the input resistance of the ampulla during stimulation with a positive current was nonlinear in some cases: a regenerative spike of positive polarity appeared in the channel. During heating, the spike response was sometimes reversed in sign. It is suggested that fluctuations of the transepithelial potential and spike responses to temperature stimulation reflect changes in the potential difference on the basal membrane of the receptor cells, which is described by a relationship of the Nernst's or Goldman's equation type.I. P. Pavlov Institute of Physiology, Academy of Sciences of the USSR, Leningrad. I. M. Sechenov, Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry, Academy of Sciences of the USSR, Leningrad. Pacific Institute of Oceanology, Far Eastern Scientific Center, Academy of Sciences of the USSR, Vladivostok. Translated from Neirofiziologiya, Vol. 12, No. 1, pp. 67–74, January–February, 1980.     

Principles of organization and evolution of systems of regulation of functions

Evolution of living organisms is closely connected with evolution of structure of the system of regulations and its mechanisms. The functional ground of regulations is chemical signalization. As early as in unicellular organisms there is a set of signal mechanisms providing their life activity and orientation in space and time. Subsequent evolution of ways of chemical signalization followed the way of development of delivery pathways of chemical signal and development of mechanisms of its regulation. The mechanism of chemical regulation of the signal interaction is discussed by the example of the specialized system of transduction of signal from neuron to neuron, of effect of hormone on the epithelial cell and modulation of this effect. These mechanisms are considered as the most important ways of the fine and precise adaptation of chemical signalization underlying functioning of physiological systems and organs of the living organism