AFM可以在生理狀態(tài)下觀察任何活的生命樣品和動(dòng)態(tài)過程,主要有生物大分子之間的生化反應(yīng)過程、病毒對(duì)細(xì)胞的感染過程、蛋白質(zhì)的結(jié)晶析出等等,已被廣泛地應(yīng)用到生物樣品中。

觀察生物大分子之間的生化反應(yīng)過程,對(duì)于研究生物的結(jié)構(gòu)與功能有很大的幫助,有很多實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)觀察了DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的翻譯過程,有些實(shí)驗(yàn)則觀察DNA、RNA與酶結(jié)合過程,使人們對(duì)這些生化反應(yīng)有了更進(jìn)一步的了解。此外,AFM可以清晰地看到RNA聚合酶在DNA模板中運(yùn)動(dòng),這種技術(shù)用于更大的分子,將會(huì)提高特異治療藥物插入的幾率,那樣很多疑難疾病的治療就成為可能。病毒對(duì)細(xì)胞的感染是一個(gè)很典型的例子,應(yīng)用AFM已觀察了痘苗病毒感染單個(gè)細(xì)胞的過程。將痘苗病毒加入培養(yǎng)液后,細(xì)胞變得光滑柔軟,在這種狀態(tài)下病毒易于穿過細(xì)胞膜。

蛋白質(zhì)從溶液中結(jié)晶析出也是一個(gè)十分值得關(guān)注的領(lǐng)域,人們采用AFM研究了溶菌蛋白、刀豆蛋白、Thaumatin蛋白、α2milase蛋白分子和過氧化氫酶的結(jié)晶情況。這些研究有助于人們更加深入地理解蛋白質(zhì)晶體的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和成核機(jī)理。

用于各種生物力學(xué)的研究:將很高的空間分辨率與敏感且準(zhǔn)確的力學(xué)感應(yīng)性相結(jié)合,是AFM的一個(gè)極為顯著的特點(diǎn)。通過將探針連接在彈性系數(shù)很小的懸臂上,AFM對(duì)力的測(cè)量敏感性可達(dá)到pN水平。AFM已經(jīng)廣泛用于測(cè)量生物分子間的相互作用,如核酸與蛋白質(zhì)的相互作用、酶與底物的相互作用、抗原與抗體間的相互作用、受體與授體間的相互作用以及藥物小分子和靶向中心的相互作用等。AFM力譜技術(shù)發(fā)展也比較快。利用AFM單分子力譜技術(shù)系統(tǒng)研究人工和天然短鏈DNA分子的開鏈行為,表明該技術(shù)可以分辨10個(gè)堿基對(duì)的特定相互作用力的變化情形。利用此技術(shù)已檢測(cè)到單堿基突變引起的不同作用力,為定量表征和解釋DNA單個(gè)序列提供了非常有價(jià)值的熱力學(xué)模型。

利用AFM可對(duì)掃描各點(diǎn)的高度及作用力進(jìn)行測(cè)量,這樣不僅可以獲取生物樣品的表面形態(tài)和三維結(jié)構(gòu),還可以得到其表面硬度、粘彈性、摩擦力等力學(xué)特性的表面圖譜。AFM在掃描樣品時(shí),探針尖端作用于樣品,使樣品產(chǎn)生可測(cè)量的凹陷,當(dāng)應(yīng)力與應(yīng)變力呈線性關(guān)系時(shí),樣品發(fā)生的變形屬?gòu)椥宰兓?撤消力時(shí)樣品可恢復(fù)原有形態(tài),利用凹陷的深度數(shù)據(jù),就能夠獲取有關(guān)樣品局部的彈性信息。利用AFM已測(cè)量了支氣管上皮和肺泡上皮細(xì)胞在不同負(fù)荷力和作用頻率下的復(fù)剪切彈性系數(shù),觀察了其變化規(guī)律。

AFM懸臂本身就是一種非常靈敏的傳感器,能夠監(jiān)測(cè)生物傳感器表面生物分子間的相互作用。利用AFM力譜能夠響應(yīng)濃度最低為10-18mol/L數(shù)量級(jí)的生物分子,這比傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)提高了8個(gè)數(shù)量級(jí)。AFM力譜的這種超高靈敏度,也為解決“監(jiān)測(cè)單個(gè)生物分子及其絡(luò)合物的結(jié)合與解離”的難題帶來了希望。此外,人們經(jīng)常利用生物分子功能化的AFM懸臂識(shí)別與樣品中具有特定相互作用的相關(guān)分子。

用于生物樣品的納米操縱:目前原子、分子的納米操縱已進(jìn)入到生物大分子層次。對(duì)生物大分子的納米操縱,不僅可以獲得生物大分子特性的新信息和新的生物學(xué)方法,也為生物大分子的應(yīng)用展示了更為廣闊的前景。

與標(biāo)準(zhǔn)顯微切割技術(shù)相比,AFM對(duì)目標(biāo)區(qū)域切割、提取等操作具有更準(zhǔn)確的特點(diǎn)。1992年人類首次使用AFM對(duì)生物分子進(jìn)行可控性納米操縱,隨后它在生物膜的切割、待研究分子的分離等方面也得到廣泛應(yīng)用。到目前為止,我國(guó)科學(xué)家已實(shí)現(xiàn)了對(duì)DNA分子的人工拉直操縱,并可以把DNA排布成納米尺度的二維網(wǎng)格,在此基礎(chǔ)上,利用改進(jìn)的“分子梳”方法,首次實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的體系———一種線性噬菌體病毒的人工拉直與定向。這種操縱是在大面積平整的固體表面實(shí)現(xiàn)的,并利用原子力顯微鏡,對(duì)拉直前后的病毒進(jìn)行了觀察與測(cè)量。

由于AFM的高分辨率以及可在生理?xiàng)l件下操作等優(yōu)勢(shì),已經(jīng)成為生物研究中不可或缺的工具。但是原子力顯微鏡在擁有諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),也存在一定的局限性。

首先,錐形針尖在使用過程中會(huì)變鈍,尖端增寬,會(huì)導(dǎo)致分辨率下降,為了保證分辨率,就必須經(jīng)常更換針尖。在觀察樣品后(尤其是液態(tài)中觀察),針尖會(huì)被樣品污染,再次使用需要清洗,并且針尖會(huì)對(duì)生物樣本造成損傷。目前有一種解決方法是使用碳納米管針尖,由于碳納米管直徑小,楊氏模量大,力學(xué)強(qiáng)度高,結(jié)構(gòu)精細(xì),并具有獨(dú)特的化學(xué)特性,而成為理想的探針材料,已廣泛應(yīng)用于生物分子、生物結(jié)構(gòu)等研究領(lǐng)域。

其次,在觀察液態(tài)標(biāo)本時(shí),由于表面張力和靜電斥力等因素會(huì)產(chǎn)生干擾信息,使得分辨率下降。為了解決這一問題,有實(shí)驗(yàn)室提出改變?nèi)芤簆H值可清除靜電斥力,但有明顯的局限性。采用靜電平衡法可解決這一問題。

最后,由于AFM本身的局限性,很多功能必須與其它設(shè)備結(jié)合。對(duì)于紛繁復(fù)雜的生命系統(tǒng),僅靠一種設(shè)備顯然是不夠的,AFM必須與其它設(shè)備或技術(shù)手段如近場(chǎng)顯微鏡、電子顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、熒光顯微技術(shù)、X2射線衍射、抗體標(biāo)記、表面干涉等有機(jī)結(jié)合,方能更有效地探索各種生命系統(tǒng)。綜上所述,隨著原子力顯微鏡的發(fā)展,如針尖技術(shù)的改進(jìn),表面張力、靜電斥力等測(cè)量因素的消除,以及與其它設(shè)備的結(jié)合等,AFM必將在生物領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。