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原子力显微镜成为国内外黏附力学研究重要工具

栏目:行业新闻 发布时间:2021-05-21

细菌黏附是非常普遍和重要的生物学现象,细菌通过复杂的物理化学力的作用定植于细胞或基底表面。细菌生物膜的形成和结构维持及细菌对宿主细胞的入侵、破坏都与黏附性能密切相关。目前,原子力显微镜(AFM)结合单分子、单细胞力谱等技术在细菌黏附研究中应用广泛,相比于传统的细菌处理及检测技术,原子力显微镜具有纳米(nm)级空间分辨率及皮牛(pN)级力灵敏度,细胞处理简单,并可以实现在生理环境下直接观测细菌黏附的动态过程。近年来,原子力显微镜的功能越来越多样化,性能不断增强,如多频原子力显微镜技术、实时高速原子力显微镜技术、力谱成像技术等,这些技术的进步推进了原子力显微镜在细菌黏附研究中的应用。本文将从原子力显微镜在分子生物学应用方面的最新发展和在细菌黏附研究中的应用两方面进行阐述,为细菌黏附的研究提供新的方法和思路。

细菌黏附是细菌生物膜形成及致病的基础和前提,包括细菌与基底、细菌与细菌、细菌与宿主细胞间的复杂的相互作用过程,主要依赖于黏附素与受体间的作用。基于原子力显微镜的力谱技术可以从单细胞或单分子水平定量、直观地测定非特异与特异性相互作用力,为细菌黏附性的研究提供了新的方法。

结合力谱技术对生物样品间各种相互作用力的测量是原子力显微镜的另一重要功能,主要依赖于检测“力-距离曲线”获得相互作用力。原子力显微镜测得的力曲线服从poisson分布。poisson分析法可以估计细菌黏附力中单个化学键的强度,并在表面聚合物性质未知的情况下将整体作用力分解成特异性力和非特异性力进行分析。基于原子力显微镜的力谱技术目前在细菌黏附力学研究中最前沿的应用是单分子力谱技术和单细胞力谱技术。既往细菌黏附研究多基于群体水平,近年来单分子力谱技术发展迅速,主要用于定量研究单细菌黏附力学特性等。新近研发出多巴胺涂层胶体探针,可以使单个活菌稳定附着于微悬臂上,为细菌黏附力学研究提供了平台。但目前单细胞力谱技术研究实用性低,局限性大,亟待进一步发展和推广。

单分子力谱技术是定量探测分子内或分子间微小作用力的重要工具,单细胞力谱技术涉及复杂的功能化探针技术,并需要选择适当的物理模型对测得的力曲线进行拟合分析。目前单细胞力谱技术与原子力显微镜成像、激光扫描共聚焦显微镜、荧光显微镜等技术结合应用成为新的发展趋势,这在细菌黏附领域有着广阔的发展和应用空间。

基于原子力显微镜的力谱技术发展越来越迅速,已成为国内外黏附力学研究的重要工具。但该技术仍存在诸多问题,如成本高、效率低、技术复杂、无法获取菌体内部信息等,因此还需要更丰富的理论基础与实践应用。