AFM原子力显微镜观察虫草多糖分子的结构形貌

 新闻资讯     |      2025-07-07 11:00:49

虫草多糖作为冬虫夏草的核心活性成分,其分子结构与生物功能的关系一直是药理学研究的热点。传统分析手段如核磁共振(NMR)和X射线衍射(XRD)虽能解析部分结构,但对纳米级分子形貌的观测存在局限性。近年来,原子力显微镜凭借其亚纳米级分辨率和无需金属包覆的优势,成为揭示生物大分子三维结构的关键工具。本文结合Z新研究成果,探讨AFM原子力显微镜在虫草多糖结构解析中的应用及技术突破。

原子力显微镜技术原理与优势

工作原理

AFM原子力显微镜通过微悬臂上的纳米探针感知样品表面作用力,利用激光反射系统记录悬臂偏转,Z终重构分子形貌。其核心优势包括:

多环境适应性:可在空气、液体或真空环境中工作,支持生理条件下的动态观测。

非破坏性成像:敲击模式(Tapping Mode)通过间歇接触减少样品损伤,尤其适合柔软的生物分子。

高分辨率:横向分辨率达0.1-0.2 nm,可清晰呈现单分子链的分支细节。

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技术突破

传统电子显微镜需重金属染色,易引入人为误差;而原子力显微镜直接观测天然状态样品,结合低温技术(Cryo-AFM)更能捕捉分子动态构象。例如,苏州飞时曼公司的研究显示,AFM原子力显微镜可清晰分辨西洋参多糖的链状聚集态,为虫草多糖研究提供了方法学参考。

虫草多糖的分子结构特征

化学组成与分支结构

冬虫夏草多糖(Cordyceps sinensis polysaccharide)主要由葡萄糖、甘露糖和半乳糖构成,典型结构包括:

主链类型:以β-(1→6)-葡聚糖为主,部分含β-(1→3)-甘露聚糖。

支链特征:分支点多位于C-6位,支链长度差异显著,如NCSP-50组分中分支链由2-4个单糖组成。

非还原端特性:末端常见D-半乳呋喃糖(D-Galf),影响分子与受体的结合能力。

生物活性关联

结构决定功能:分支密度高的多糖表现出更强的免疫调节活性,而链长与分子量则影响其抗氧化性能。原子力显微镜成像可直接验证这些构效关系。

AFM原子力显微镜在虫草多糖研究中的实验方法

样品制备

提纯与稀释:虫草多糖经Na₂CO₃或NaOH/NaBH₄处理后,配制成0.01 mg/mL水溶液。

基底处理:采用Ni²⁺离子修饰的新剥离云母片,增强多糖分子吸附。

干燥条件:控制环境湿度<30%,避免水膜干扰成像。

成像参数设置

模式选择:敲击模式(Tapping Mode)平衡分辨率与样品保护。

扫描速度:1-2 Hz,确保探针与样品充分作用。

力控制:设定悬臂振幅衰减比为50%-70%,维持恒定作用力。

典型结果分析

原子力显微镜图像显示,虫草多糖分子呈现以下特征:

链状聚集:单分子链宽度约20-50 nm,长度达数百纳米,分支角度多为60°-90°。

三维构象:高度图显示分子表面粗糙度(RMS)为1.2-3.5 nm,反映支链的立体分布。

环境响应:在缓冲溶液中,分子链柔性增加,分支间距扩大,提示溶液条件对构象的影响。

案例引用:中国科学院西北高原生物研究所利用AFM原子力显微镜观察到ANCSP-50组分的β-(1→3)-葡聚糖主链,分支点间距约5-8 nm,与NMR数据高度吻合。

技术挑战与未来方向

当前局限

样品制备依赖性:高离子强度缓冲液易导致多糖聚集,需优化提纯工艺。

探针磨损:长期扫描可能降低分辨率,需开发更耐用的碳化硅探针。

创新趋势

多技术联用:结合原子力显微镜与拉曼光谱(TERS),实现形貌与化学组分的同步分析。

动态观测:利用高速AFM原子力显微镜(>10帧/秒)捕捉酶解过程中多糖结构的实时变化。

低温原子力显微镜应用:在液氮温度下抑制分子热运动,解析更稳定的次级结构。

AFM原子力显微镜为虫草多糖的纳米级结构解析提供了革命性手段,其非破坏性、高分辨率特性推动了生物大分子研究从静态形貌向动态功能跨越。未来,随着探针技术与数据分析算法的进步,原子力显微镜有望在多糖构效关系、药物递送系统设计等领域发挥更大价值。