原子力顯微鏡是Binning等在1986年研制出來的,是一種揭示生物結構與性能的有力工具,具有比傳統(tǒng)電子顯微鏡更高的放大倍數和很高的分辨率,能對從分子到原子尺度的結構進行三維成象和測量,可以在生理條件下實時進行,甚至能對生物樣品進行納米操縱。原子力顯微鏡越來越多地應用到生物領域的各個方面,如生物樣品的形態(tài)結構、動態(tài)觀察、力學特性、納米操縱等,并且取得了許多令人鼓舞的成果。

用于形態(tài)結構的觀察:由于具有光學顯微鏡所不具備的高分辨率,同時又不需掃描電子顯微鏡的嚴格制樣要求,原子力顯微鏡AFM已廣泛地應用于細胞、蛋白質、核酸等生物形態(tài)結構的研究中。

目前,生物學家已經利用原子力顯微鏡研究活細胞或固定的細胞,如紅細胞、白細胞、心肌細胞、上皮細胞、神經膠質細胞等,獲得了豐富的信息。對于單個細胞而言,原子力顯微鏡AFM不但能夠提供長度、寬度、高度等形態(tài)方面的信息,而且可以滿足人們對膜上的離子通道、絲狀偽足、細胞間連接等細微結構研究的要求,甚至還可清楚地觀察到膜本身的骨架結構。這些對于進一步研究細胞表面及表面以下結構相互作用很有啟發(fā)性。

原子力顯微鏡還可以觀察蛋白質的細微結構,測算復合物中蛋白質的大小。早期用原子力顯微鏡AFM研究的膜蛋白是halobacteriumhalobim的紫膜上的視紫紅蛋白,得到視紫紅蛋白在膜上呈二維的六角形排列。原子力顯微鏡還比較成功地觀察了肌動蛋白、血纖維蛋白原、膠元蛋白等游離蛋白質分子。隨著探針技術的不斷改進,觀測到了肌動蛋白分子的螺旋構造。現今用輕敲模式,不僅觀測到70nm長的D帶區(qū),而且區(qū)內的亞結構也能觀察。通過原子力顯微鏡AFM對肌動蛋白聚合、解聚、破裂、彈性系數變化等過程的觀察,進一步證實肌動蛋白的網絡結構對于活細胞的穩(wěn)定性起決定作用。

原子力顯微鏡還可用來研究表層蛋白結構和功能的關系,特別是通過單個蛋白構象在不同條件下的改變,來闡明結構與功能間的關系。

原子力顯微鏡AFM已經成為研究核酸分子結構的重要工具。原子力顯微鏡可以清晰地觀察在體外生理狀態(tài)下的各種DNA分子的三維結構,并可估算出分子的寬度和高度,尤其在高度上可以精確地測算,更重要的是原子力顯微鏡AFM可以對單個的長度在10kb或者更長的DNA分子進行分析。

近年來,原子力顯微鏡也對一些特殊的DNA分子,如DNA與蛋白質的復合物(染色質2染色體)進行研究,取得了許多有價值的結果。原子力顯微鏡AFM觀察到自然狀態(tài)下的染色質纖維及重組的染色質纖維,得到了核小體中心顆粒精細結構的圖象,圖象顯示核小體呈Z形排列,相鄰顆粒中心距離恰好為11nm。通過染色質纖維的原子力顯微鏡成象及纖維結構參數的定量分析,認識到只有在組蛋白存在時,DNA才能甲基化,誘導染色質纖維結構改變。由于在生理條件下,利用原子力顯微鏡AFM觀察到的圖象更加逼真地反映出生物的形態(tài)特征,所以原子力顯微鏡在生物的形態(tài)觀察方面優(yōu)于其它顯微鏡。