为了增加我们对单分子水平上生物分子结构动力学的理解，需要在亚纳米尺度和生理相关条件下捕获它们。目前很少有技术可以做到这一点。现在，科学家们开发了一种计算技术，可以大大提高原子力显微镜的分辨率。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，为了解生物学世界打开了一扇新的窗口。
在发表在《Nature》杂志上的一项题为“Localization atomic force microscopy”的研究中，研究人员描述了这项新技术，该技术基于一种用于提高光学显微镜分辨率的策略。
虽然X射线晶体学和低温电子显微镜可以确定分子结构，直至单个原子的分辨率，但它们是在分子上确定的，这些分子要么被支架成晶体，要么在超低温下冷冻，可能会改变它们的正常生理形状。afm原子力显微镜可以在正常生理条件下分析生物分子，但得到的图像模糊不清，分辨率低。
Weill Cornell医学院麻醉学生理学和生物物理学教授Simon Scheuring博士说：“原子力显微镜可以很容易地分辨物理学中、硅酸盐固体表面和半导体上的原子，因此，这意味着原则上这台机器具有做到这一点的精度。这项技术有点像你拿支笔扫描落基山脉，这样你就可以获得物体的地形图。实际上，我们的笔是一根尖细到几个原子的针，物体是单个蛋白质分子。”
然而，afm原子力显微镜的分辨率限制了对生物分子构象细节的评估。为了解决这个问题，Scheuring和他的同事们采用了一种来自光学显微镜的概念，称为“超分辨率显微镜”。“从理论上讲，光学显微镜不可能分辨出两个比光波长的一半更近的荧光分子。”他说。然而，通过刺激相邻分子在不同时间发出荧光，显微镜学家可以分析每个分子的扩散情况，并高精度地确定它们的位置。
Scheuring的团队没有刺激荧光，而是注意到在afm原子力显微镜扫描过程中记录的生物分子的自然波动产生了相似的位置数据传输。第YI作者George Heath博士，曾是Weill Cornell医学院博士后研究员，现在是利兹大学的教员，从事实验和计算模拟的循环，以更详细地了解原子力显微镜成像过程，并从针尖和样品之间的原子相互作用中提取很大的信息。
使用像超分辨率分析这样的方法，他们能够提取出更高分辨率的运动分子图像。在这项工作中，该小组提出了定位原子力显微镜（LAFM），这是一种可以克服当前分辨率限制的技术。作者写道，通过对高速 afm原子力显微镜和传统 afm原子力显微镜数据中的峰值位置应用定位图像重建算法，他们“将分辨率提高到超出尖部半径设置的限制，并在自然和动态条件下解析软蛋白表面上的单氨基酸残基。”
由于之前的原子力显微镜研究通常会收集必要的数据，因此新的技术可以追溯到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原子力显微镜扫描的分析，开始是在Scheuring的博士论文中获得的。再分析产生的图像更加清晰，与分子的X射线晶体学结构非常吻合。“现在基本上可以在这些表面上获得准原子分辨率。”研究人员说。为了展示该方法的强大功能，作者提供了有关膜联蛋白（一种参与细胞膜修复的蛋白质）和一种质子氯化物逆向转运蛋白的新的高分辨率数据，他们还报告了与其功能相关的结构变化。
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，但原子力显微镜可以生成单个分子的图像。“我们不是观察几百个分子，而是观察一个分子一百次，然后计算出一张高分辨率图谱。”研究人员说。
在单个分子执行其功能时对其进行成像，可能会开启全新的分析类型。“假设你有一个（病毒）刺突蛋白，它处于一种构象中，然后它被激活并进入另一种构象。”研究人员说，“原则上，当同一个分子从一种构象过渡到另一种构象时，你可以计算出它的高分辨率图谱，而不是从一种或另一种构象中的数千个分子中计算出来。”这种高分辨率的单分子数据可以提供更详细的信息，避免在对多个分子的数据进行平均时可能出现的潜在误导性结果。此外，该图谱可能会揭示精确重定向或中断此类过程的新策略。