原子力显微镜在分子细胞生物学研究中的应用 Application of Atomic Force Microscope on the Molecular Cell Biology 朱杰(ZhuJie) 陕西师范大学物理学与信息技术学院生物物理研究室 西安 710062 1986年吉秉霖(G.Binning)等在扫描隧道显微镜的基础上发明了原子力显微镜(Atomic force microscope, AFM)。这种显微镜的放大倍数远远超过以往的任何显微镜，可以直接观察物质的分子和原子组成, 这为微观世界的探索提供了理想的工具。AFM不仅可以以高分辨率表征样品表面形貌，分析研究与作用力相对应的各种表面性质，并可对样品的分子或原子进行纳米级力加工，也能对活的生命样品进行实时动态观测。这些特性使AFM在生命科学特别是在分子细胞生物学的研究中占据着独特的地位。
1. AFM对细胞表面结构的研究 AFM的样品制备简单，只需作一个渗涂片并在空气中干燥，且不需特殊的染色和固定；它的放大倍数和成像分辨率都远远高于其他显微镜。 AFM已广泛用于观察各种活细胞或固定细胞的表面结构,获得了丰富的信息。在大气环境下，通过AFM可清楚地观察到红细胞静止状态下的大小和形状，同时红细胞的各种量化参数均可被测算。用AFM观察血小板的运动,可看到微丝结构、颗粒传输到细胞质外侧及活化中细胞成份的再分配。实验观察到淋巴细胞仅有很少几处凸起，而巨噬细胞显示出比较模糊的吞噬细胞凹,甚至观察到巨噬细胞正在吞噬粒细胞。用AFM可对游走上皮细胞的浆膜进行实时成像，实验研究了活肾上皮细胞浆膜小斑上的细胞骨架元素、浆膜浅凹和膜结合丝。用AFM可对游走上皮细胞的浆膜进行实时成像，实验研究了活肾上皮细胞浆膜小斑上的细胞骨架元素、浆膜浅凹和膜结合丝。常琳等用AFM观察水中活的或固定的哺乳动物细胞表面骨架结构, 在活细胞中可实时跟踪研究细胞构形的变化及由于引入药物所致细胞骨架结构表面受体的交联等；另外，AFM还可描述细胞骨架力的变化。AFM研究显示，正常的间皮细胞表面显示出精细的长度可变的微绒毛；一些腺癌细胞表现出了大小随凹痕而变化的分泌器官凸起；变质的间皮瘤细胞缺乏细胞膜；并明确了各种细胞表面在背景周围显露的颗粒状纹理，大多数来自于蛋白质在渗出液中的沉淀作用。
2. AFM对细胞生理过程的研究利用AFM可对液态环境中的活细胞进行动态的观察,这就使得观察结果更加真实可靠。电化学溶液池、专用培养皿和带有温控、湿控、气控设备的环境箱可为细胞的生理状态下的动态观察提供仿真的环境。试验利用直径小到足以插入活细胞内而又不严重干扰细胞的正常生理过程的探针,去获得在不同环境条件下能反映整体功能的活细胞内的动态信息。 AFM可以在生理状态下观察细胞的生长过程、骨骼细胞的动态变化、活细胞的三磷酸腺苷(ATP)活化和病毒对细胞感染过程；AFM也可检查细胞表面的缓慢运动、细胞膜对探针针尖的反应；研究纤维蛋白原的聚合作用、细胞外基质的构成、微丝的运动及核孔的形态等等。普特曼等用AFM研究了生理条件下的细胞生长过程。卡萨斯等用AFM观察常规缓冲液中活细胞的动态变化,直到实验结束,细胞仍然存活,不影响细胞的继续生长。撒萨克等用AFM研究了培养液中小鼠活成纤维细胞的弹性。在长达2小时的连续观察中,发现细胞不断皱缩,弹性不断改变。这些研究都表明了AFM可用于细胞生理过程的动态观察。
3.AFM在生物大分子研究中的应用 AFM可以在空气或各种溶剂中直接观测生理条件下的生物大分子，这是其它化学和物理分析方法所无法比拟的；通过控制成像操作力的大小,图像的可重复性大大提高；现场操作性好,能够研究监测整个生化反应的动力学过程；载体的选择则更加简单,范围也更大。这些优点已使原子力显微镜成为这个领域的重要工具。
