原子力显微镜是Binning等在1986年研制出来的,是一种揭示生物结构与性能的有力工具,具有比传统电子显微镜更高的放大倍数和很高的分辨率,能对从分子到原子尺度的结构进行三维成象和测量,可以在生理条件下实时进行,甚至能对生物样品进行纳米操纵。原子力显微镜越来越多地应用到生物领域的各个方面,如生物样品的形态结构、动态观察、力学特性、纳米操纵等,并且取得了许多令人鼓舞的成果。
用于形态结构的观察:由于具有光学显微镜所不具备的高分辨率,同时又不需扫描电子显微镜的严格制样要求,原子力显微镜AFM已广泛地应用于细胞、蛋白质、核酸等生物形态结构的研究中。
目前,生物学家已经利用原子力显微镜研究活细胞或固定的细胞,如红细胞、白细胞、心肌细胞、上皮细胞、神经胶质细胞等,获得了丰富的信息。对于单个细胞而言,原子力显微镜AFM不但能够提供长度、宽度、高度等形态方面的信息,而且可以满足人们对膜上的离子通道、丝状伪足、细胞间连接等细微结构研究的要求,甚至还可清楚地观察到膜本身的骨架结构。这些对于进一步研究细胞表面及表面以下结构相互作用很有启发性。
原子力显微镜还可以观察蛋白质的细微结构,测算复合物中蛋白质的大小。早期用原子力显微镜AFM研究的膜蛋白是halobacteriumhalobim的紫膜上的视紫红蛋白,得到视紫红蛋白在膜上呈二维的六角形排列。原子力显微镜还比较成功地观察了肌动蛋白、血纤维蛋白原、胶元蛋白等游离蛋白质分子。随着探针技术的不断改进,观测到了肌动蛋白分子的螺旋构造。现今用轻敲模式,不仅观测到70nm长的D带区,而且区内的亚结构也能观察。通过原子力显微镜AFM对肌动蛋白聚合、解聚、破裂、弹性系数变化等过程的观察,进一步证实肌动蛋白的网络结构对于活细胞的稳定性起决定作用。
原子力显微镜还可用来研究表层蛋白结构和功能的关系,特别是通过单个蛋白构象在不同条件下的改变,来阐明结构与功能间的关系。
原子力显微镜AFM已经成为研究核酸分子结构的重要工具。原子力显微镜可以清晰地观察在体外生理状态下的各种DNA分子的三维结构,并可估算出分子的宽度和高度,尤其在高度上可以精确地测算,更重要的是原子力显微镜AFM可以对单个的长度在10kb或者更长的DNA分子进行分析。
近年来,原子力显微镜也对一些特殊的DNA分子,如DNA与蛋白质的复合物(染色质2染色体)进行研究,取得了许多有价值的结果。原子力显微镜AFM观察到自然状态下的染色质纤维及重组的染色质纤维,得到了核小体中心颗粒精细结构的图象,图象显示核小体呈Z形排列,相邻颗粒中心距离恰好为11nm。通过染色质纤维的原子力显微镜成象及纤维结构参数的定量分析,认识到只有在组蛋白存在时,DNA才能甲基化,诱导染色质纤维结构改变。由于在生理条件下,利用原子力显微镜AFM观察到的图象更加逼真地反映出生物的形态特征,所以原子力显微镜在生物的形态观察方面优于其它显微镜。