為了增加我們對單分子水平上生物分子結(jié)構(gòu)動力學(xué)的理解，需要在亞納米尺度和生理相關(guān)條件下捕獲它們。目前很少有技術(shù)可以做到這一點(diǎn)?，F(xiàn)在，科學(xué)家們開發(fā)了一種計(jì)算技術(shù)，可以大大提高原子力顯微鏡的分辨率。該方法揭示了正常生理?xiàng)l件下蛋白質(zhì)和其他生物結(jié)構(gòu)的原子水平細(xì)節(jié)，為了解生物學(xué)世界打開了一扇新的窗口。

在發(fā)表在《Nature》雜志上的一項(xiàng)題為“Localization atomic force microscopy”的研究中，研究人員描述了這項(xiàng)新技術(shù)，該技術(shù)基于一種用于提高光學(xué)顯微鏡分辨率的策略。

雖然X射線晶體學(xué)和低溫電子顯微鏡可以確定分子結(jié)構(gòu)，直至單個原子的分辨率，但它們是在分子上確定的，這些分子要么被支架成晶體，要么在超低溫下冷凍，可能會改變它們的正常生理形狀。afm原子力顯微鏡可以在正常生理?xiàng)l件下分析生物分子，但得到的圖像模糊不清，分辨率低。

Weill Cornell醫(yī)學(xué)院麻醉學(xué)生理學(xué)和生物物理學(xué)教授Simon Scheuring博士說：“原子力顯微鏡可以很容易地分辨物理學(xué)中、硅酸鹽固體表面和半導(dǎo)體上的原子，因此，這意味著原則上這臺機(jī)器具有做到這一點(diǎn)的精度。這項(xiàng)技術(shù)有點(diǎn)像你拿支筆掃描落基山脈，這樣你就可以獲得物體的地形圖。實(shí)際上，我們的筆是一根尖細(xì)到幾個原子的針，物體是單個蛋白質(zhì)分子。”

然而，afm原子力顯微鏡的分辨率限制了對生物分子構(gòu)象細(xì)節(jié)的評估。為了解決這個問題，Scheuring和他的同事們采用了一種來自光學(xué)顯微鏡的概念，稱為“超分辨率顯微鏡”?！皬睦碚撋现v，光學(xué)顯微鏡不可能分辨出兩個比光波長的一半更近的熒光分子?！彼f。然而，通過刺激相鄰分子在不同時間發(fā)出熒光，顯微鏡學(xué)家可以分析每個分子的擴(kuò)散情況，并高精度地確定它們的位置。

Scheuring的團(tuán)隊(duì)沒有刺激熒光，而是注意到在afm原子力顯微鏡掃描過程中記錄的生物分子的自然波動產(chǎn)生了相似的位置數(shù)據(jù)傳輸。第YI作者George Heath博士，曾是Weill Cornell醫(yī)學(xué)院博士后研究員，現(xiàn)在是利茲大學(xué)的教員，從事實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模擬的循環(huán)，以更詳細(xì)地了解原子力顯微鏡成像過程，并從針尖和樣品之間的原子相互作用中提取很大的信息。

使用像超分辨率分析這樣的方法，他們能夠提取出更高分辨率的運(yùn)動分子圖像。在這項(xiàng)工作中，該小組提出了定位原子力顯微鏡（LAFM），這是一種可以克服當(dāng)前分辨率限制的技術(shù)。作者寫道，通過對高速 afm原子力顯微鏡和傳統(tǒng) afm原子力顯微鏡數(shù)據(jù)中的峰值位置應(yīng)用定位圖像重建算法，他們“將分辨率提高到超出尖部半徑設(shè)置的限制，并在自然和動態(tài)條件下解析軟蛋白表面上的單氨基酸殘基?！?/span>

由于之前的原子力顯微鏡研究通常會收集必要的數(shù)據(jù)，因此新的技術(shù)可以追溯到該領(lǐng)域幾十年來產(chǎn)生的模糊圖像。例如，這篇新論文包括對水通道蛋白膜蛋白的afm原子力顯微鏡掃描的分析，開始是在Scheuring的博士論文中獲得的。再分析產(chǎn)生的圖像更加清晰，與分子的X射線晶體學(xué)結(jié)構(gòu)非常吻合?！艾F(xiàn)在基本上可以在這些表面上獲得準(zhǔn)原子分辨率?！毖芯咳藛T說。為了展示該方法的強(qiáng)大功能，作者提供了有關(guān)膜聯(lián)蛋白（一種參與細(xì)胞膜修復(fù)的蛋白質(zhì)）和一種質(zhì)子氯化物逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的新的高分辨率數(shù)據(jù)，他們還報告了與其功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)變化。

除了允許研究人員在生理相關(guān)條件下研究生物分子外，這種新方法還有其他優(yōu)點(diǎn)。例如，X射線晶體學(xué)和低溫電子顯微鏡依賴于大量分子的平均數(shù)據(jù)，但原子力顯微鏡可以生成單個分子的圖像?！拔覀儾皇怯^察幾百個分子，而是觀察一個分子一百次，然后計(jì)算出一張高分辨率圖譜?！毖芯咳藛T說。

在單個分子執(zhí)行其功能時對其進(jìn)行成像，可能會開啟全新的分析類型。“假設(shè)你有一個（病毒）刺突蛋白，它處于一種構(gòu)象中，然后它被激活并進(jìn)入另一種構(gòu)象?！毖芯咳藛T說，“原則上，當(dāng)同一個分子從一種構(gòu)象過渡到另一種構(gòu)象時，你可以計(jì)算出它的高分辨率圖譜，而不是從一種或另一種構(gòu)象中的數(shù)千個分子中計(jì)算出來。”這種高分辨率的單分子數(shù)據(jù)可以提供更詳細(xì)的信息，避免在對多個分子的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均時可能出現(xiàn)的潛在誤導(dǎo)性結(jié)果。此外，該圖譜可能會揭示精確重定向或中斷此類過程的新策略。