原子力显微镜（AFM）：生物领域的“纳米探针
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生物领域
Biological field
在微观世界里，生物分子的奥秘一直吸引着科学家们不断探索。而原子力显微镜（AFM）作为一项前沿的微观表征技术，凭借其独特的高分辨率和纳米级操作能力，为生物领域的研究带来了前所未有的突破。
一
细胞结构与动态的“高清镜头”
细胞是生物体的基本单位，其表面结构和动态行为蕴含着丰富的生物学信息。AFM能够对活细胞或固定细胞进行高分辨率成像，无需复杂的染色和固定处理，即可在生理条件下实时观察细胞的形态变化。例如，AFM可以清晰地观察到红细胞、白细胞、神经胶质细胞等细胞表面的细微结构，如细胞膜上的离子通道、丝状伪足、细胞间连接等。这些细节对于理解细胞的生理功能和病理变化具有重要意义。图1 展示了一种细菌ETEC表达了CS2菌毛特性，图中左下角白线比例尺为1微米。可以清晰的看到细菌的菌毛，包括细菌表面的结构。[https://arxiv.org/abs/1505.05129]
二
蛋白质与核酸的“纳米解码器”
蛋白质和核酸是生物体内最重要的生物大分子，其结构和功能的解析一直是生物学研究的核心问题。AFM可以对蛋白质的细微结构进行观察，测算复合物中蛋白质的大小，甚至能够观察到蛋白质分子的螺旋构造。例如，AFM成功地观察了肌动蛋白、血纤维蛋白原、胶原蛋白等游离蛋白质分子，并研究了肌动蛋白的聚合、解聚等动态过程。此外，AFM在研究DNA和蛋白质复合物方面也取得了重要进展，能够观察到自然状态下的染色质纤维及核小体的精细结构。
AFM测试的一种蛋白的结构
三
生物分子间相互作用的“力传感器”
生物体内的分子间相互作用是生命活动的基础，如受体与配体的结合、抗原与抗体的识别等。AFM作为一种高灵敏度的力传感器，能够测量分子间极其微弱的相互作用力。例如，AFM可以测量生物素与抗生物素蛋白链菌素之间的高亲和力相互作用，为研究分子识别机制提供了直接的证据。此外，AFM还可以在液体环境中实时观察生物分子的动态构象变化，如酶的活性变化和蛋白质的折叠过程。
测试细胞的力学特性，对于活细胞和死细胞，对细胞施加压力测试的曲线不一样
【Valentin Lulevich, Tiffany Zink, Huan-Yuan Chen, Fu-Tong Liu, and Gang-yu LiuLangmuir 2006 22 (19), 8151-8155 DOI: 10.1021/la060561p】
四
企业文纳米操纵与纳米外科学的“手术刀”化
AFM不仅是一种成像工具，还具备纳米操纵能力，可以在纳米尺度上对生物样品进行操作和修饰。例如，AFM可以对细胞表面进行纳米级的修饰，甚至可以对细胞内的分子进行操纵。这种能力为纳米外科学的发展提供了可能，即通过纳米级的“手术”对病理细胞进行精准治疗。
图中显示高深宽比AFM探针扎入细胞中，能够做药物注入或者测试【Nano Lett. 2005, 5, 1, 27-30https://doi.org/10.1021/nl0485399】
生物领域
Biological field
原子力显微镜（AFM）以其高分辨率、实时成像、纳米操纵等独特优势，正在成为生物领域不可或缺的研究工具。它不仅帮助科学家们深入探索生物分子的奥秘，还为疾病的诊断和治疗提供了新的思路和方法。随着技术的不断进步，AFM在生物领域的应用前景将更加广阔。
TANSHENG
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