Nature极大地提高了原子力显微镜的分辨率

时间：2021-06-17 00:00:00 来源：网络整理

威尔康奈尔医学院(Weill Cornell Medicine)的科学家开发了一种计算技术，极大地提高了原子力显微镜的分辨率。原子力显微镜是一种特殊类型的显微镜，可以“感觉”表面上的原子。该方法揭示了正常生理条件下蛋白质和其他生物结构的原子水平细节，为细胞生物学、病毒学和其他微观过程打开了一扇新的窗口。

在6月16日发表在《自然》杂志上的一项研究中，研究人员描述了这种新技术，它基于一种用于提高光学显微镜分辨率的策略。

为了在高分辨率下研究蛋白质和其他生物分子，研究人员长期依赖于两种技术:x射线晶体学和低温电子显微镜。虽然这两种方法都可以确定分子结构，直至单个原子的分辨率，但它们是在构建成晶体或在超低温下冻结的分子上进行的，可能会改变它们正常的生理形状。原子力显微镜(AFM)可以在正常生理条件下分析生物分子，但产生的图像模糊不清，分辨率低。

“原子力显微镜可以很容易地解决原子物理、硅酸盐固体表面和半导体,这意味着原则上机器精度,”资深作者西蒙Scheuring博士说,生理学和生物物理学教授在威尔康奈尔医学麻醉学。“这项技术有点像你拿一支笔扫描落基山脉，这样你就能得到该物体的地形图。实际上，我们的笔是一根针尖，针尖上有几个原子，针尖上的物体是单个蛋白质分子。”

然而，生物分子有许多摆动的小部件，模糊了它们的AFM图像。为了解决这个问题，舒尔灵博士和他的同事们采用了光学显微镜的概念，称为超分辨率显微镜。他说:“理论上，光学显微镜不可能分辨出两个荧光分子之间的距离比光波长的一半还近。”然而，通过刺激相邻的分子在不同的时间发出荧光，显微镜可以分析每个分子的扩散，并高精度地确定它们的位置。

舒灵博士的团队注意到，AFM扫描过程中记录的生物分子的自然波动产生了类似的位置数据，而不是激发荧光。第一作者乔治·希思博士，研究进行时他是威尔康奈尔医学院的博士后助理现在是利兹大学的教员，通过循环实验和计算模拟，更详细地了解AFM成像过程，并从探针与样品之间的原子相互作用中提取最大信息。

使用超分辨率分析等方法，他们能够提取运动分子的高分辨率图像。继续进行地形类比，舒尔因博士解释说，“如果岩石(即原子)上下摆动一点，你就可以探测到这个，然后探测到那个，然后随着时间的推移将所有探测结果平均，就可以得到高分辨率的信息。”

因为之前的AFM研究已经例行地收集了必要的数据，这项新技术可以追溯应用于该领域几十年来产生的模糊图像。例如，这篇新论文包括对水通道蛋白膜蛋白的AFM扫描的分析，最初是在Scheuring博士的博士论文中获得的。重新分析生成了更清晰的图像，与分子的x射线晶体学结构非常匹配。“现在在这些表面上基本上可以得到准原子分辨率，”舒尔灵博士说。为了展示该方法的威力，作者提供了关于膜联蛋白(一种参与细胞膜修复的蛋白质)和氯离子逆向转运蛋白(一种与功能相关的结构变化)的新高分辨率数据。

除了允许研究人员在生理相关条件下研究生物分子外，这种新方法还有其他优点。例如，x射线晶体学和低温电子显微镜依赖于大量分子的平均数据，但AFM可以生成单个分子的图像。“我们不是观察数百个分子，而是观察一个分子100次，然后计算出高分辨率的地图，”舒尔灵博士说。

当单个分子执行它们的功能时，对它们进行成像可以打开全新类型的分析。“假设有一个[病毒]突刺蛋白处于一种构象，然后它被激活，进入另一种构象，”舒尔灵博士说。“原则上，当同一分子从一种构象过渡到另一种构象时，你就能够计算出高分辨率的地图，而不是从成千上万种不同构象的分子中计算出来。”这种高分辨率的单分子数据可以提供更详细的信息，并避免在对多个分子的数据进行平均时可能出现的误导性结果。此外，该映射可能揭示了精确重定向或中断此类进程的新策略。

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