單個生物大分子力學性質已經成為一個新興的研究領域,近幾年來由于單分子技術的不斷發展,這個領域取得了很多突破性的進展。本文介紹了基于原子力顯微鏡技術的幾種單分子壓彈性測量技術及這些技術的具體應用,同時也簡要闡述了這些技術的局限性。另外對這個領域的發展也進行了初步地探討。　

隨著納米測量技術的發展(如納米磁珠、光鑷子、原子力顯微鏡等),尤其是皮牛pN(10-12牛頓)測量技術的出現使人們能夠研究單個生物大分子(DNA和蛋白質分子)的動力學行為,且能對其進行直接操縱,從而在單分子水平上對DNA和蛋白質的力學性質(彈性或柔性)進行研究。近年來單個生物分子力學性質的研究引起了人們很大的興趣。這是因為從物理學角度看,單個分子的彈性是否與宏觀物體的彈性相同是一個值得探討的問題;從生物學角度看,生物大分子一般都具有一定的柔性,即在微小的外力作用下會發生構像的改變,從而導致其功能的變化,單分子彈性的研究將有助于揭示其結構與功能之間的動力學規律,探索潛在的生物學特別是遺傳學的意義;此外,生物大分子是一類頗受重視的天然納米材料,從材料科學角度看,單分子力學性質的研究對于納米器件的組裝和連接也十分重要,它將直接影響納米器件最終的工作性能。

目前,在利用原子力顯微鏡技術研究單個生物大分子力學性質方面,大量研究工作主要集中在單分子的拉伸特性上,通常采用的方法是將一個大分子的一端固定在修飾過的襯底表面,用原子力顯微鏡的針尖拉伸另一端,有關單分子拉伸特性已經報道了大量令人興奮的研究成果,同時也有很多優秀的評述文章,其中最有代表意義的是對單個DNA分子的拉彈性的研究(stretchingelasticity)。最近有不少研究組開始探索單個分子的壓縮特性,他們通常采用的方法是用原子力顯微鏡的針尖去壓分散在襯底表面的單個分子。在本文中,我們首先評述基于原子力顯微鏡技術的幾種單分子壓彈性測量方法及其具體應用,然后簡要闡述這些方法在研究單個DNA分子壓彈性時的局限性。

原子力顯微鏡在接觸模式下針尖與樣品的作用力可以很精確地控制,通常采用接觸模式的力曲線(force2distancecurve)可以較好地測量柔軟樣品的壓彈性。首先在硬樣品(如玻璃或云母)的表面做一條力曲線(區域2),然后將要研究的單分子樣品取代硬樣品重新做力曲線(區域3),此時不能改變任何實驗條件。針尖與樣品間相互作用力F可根據胡克定律算出:F=k×d,其中k,d分別是懸臂彈性系數及懸臂的偏折量(軟樣品表面的凹陷量可由在軟的和硬的樣品表面獲得的力曲線相減得到)。根據所用針尖的不同,可用Hertz公式計算出樣品的彈性模量:d3=9(1-μtip)2F2P(16RE)其中μtip,R,E分別是樣品的泊松系數(一般軟樣品取1P3),針尖半徑及樣品的彈性模量。

利用接觸模式下的力曲線在單分子力學性質的研究中已經做了大量的工作,得到了在納米尺度下許多與宏觀狀態下不同的特性。在早期的生物分子研究中,實驗大多是在液體下進行的,這樣比較接近生物分子的生理狀態。Radmacher等人研究了液體下分散在云母表面的單個溶菌酶分子的壓彈性,用赫茲模型計算到它的彈性模量是015±012GPa,這個結果與其宏觀晶體的壓縮率較接近(012～1GPa),同時在做力曲線時他們比較了在云母上與溶菌酶蛋白分子上針尖的Liftoff值,得到蛋白分子的粘度(viscosity)為800±400pN。魏青青等人也用力曲線的方法研究了不同功能狀態的兔骨骼肌ryanodine受體P鈣釋放通道(RyR1)的彈性。首先對處于抑制狀態的RyR1進行測量,接著用5mmolPL的AMP和50μmolPL的Ca2+將其激活,發現它的彈性模量有較明顯的升高,然后將緩沖液換為無AMP和Ca2+的抑制性溶液后,發現其彈性模量又有較明顯的下降。但采用其他抑制劑(如釕紅)和激動劑(咖啡因)時,RyR1的彈性沒有明顯的變化。另外他們也注意到每次實驗測量得到RyR1的彈性模量的誤差很大,這可能是由于在液態下針尖與樣品的作用力要比大氣中復雜而且熱漂移較大引起的。近來許多研究組也經常在大氣中測量單分子的壓彈性。Zhao等人用導電原子力顯微鏡在空氣中測量了單個azuin蛋白分子的彈性[20],計算得到彈性模量為14GPa。實驗發現其應變-應力曲線幾乎是線性的而且通過原點,說明這是一種彈性形變。另外Tsukruk等人也在大氣環境中比較了單個分枝分子(singledendriticmolecules)與其聚合體的彈性差異[21,22],發現聚合體的彈性(250±30MPa)要明顯大于單體的彈性(150±25MPa),他們認為這可能是由于聚合體形成的網狀結構使其變得較硬。

單個生物大分子力學性質的研究是一個很重要的問題,因為它與諸多的生物學過程密切相關。近年來由于單分子技術的不斷發展,這個領域已經取得了許多突破性的進展,單分子力學已成為生物物理的一個熱點問題。但同時我們也看到還有許多問題沒有得到解決。譬如,作為一個細長的柔軟分子,DNA的彈性主要由三個基本彈性組成:縱向(沿雙螺旋方向)拉伸彈性、橫向(沿直徑方向)壓縮彈性以及扭轉彈性。盡管人們在單分子壓彈性研究方面已經做了很多努力,取得了大量的研究成果,但據我們所知,作為單分子壓彈性研究的試金石,單個DNA分子壓彈性的數據至今還沒有得出。這是因為DNA分子的直徑只有約2nm,為了在小力區(F<015nN)精確測量其壓彈性,在其上施加的作用力與相應的形變測量的精度必須分別達到～011nN和～011nm,這對目前的原子力顯微技術是很大的挑戰:
(1)采用接觸模式下的力曲線方法,如果在液體下進行實驗,針尖要受到很大的粘滯力,而且液體下的熱漂移很嚴重;如果在空氣中測量,由于Jump2into2contact(～110nm)現象的存在,盡管人們已經用了很多精力包括利用針尖修飾等各種途徑去盡量減小這個值,可至今還沒有完全克服,因此很難精確測量DNA分子的初始形變。
(2)利用TM2AFM下的力曲線,在液體下針尖與樣品的作用力很復雜,不能判別是否為斥力相互作用;而在空氣中,我們在Force2Volume圖上觀測到了DNA分子的反差,由于很難判別針尖與樣品的初始接觸點而不能定量地計算它的形變。
(3)傳統的TM2AFM需要較大的traceforce(～110nN)才能穩定成像,此時已經把生物分子壓得很扁。
(4)利用Jumpmode方法可以很好地控制針尖與樣品間的作用力(～50pN),但必須采用軟針尖,此時熱擾動會引起大約110nm的針尖振幅波動,因此很難精確地得到DNA分子的徑向形變。目前單分子壓彈性測量的各種方法還有其各自的局限性,與其他傳統的測試方法相比還不夠成熟。盡管如此,我們依然欣喜地看到許多物理學家、化學家、生物學家及材料科學家都被吸引到這個新興領域,這勢必極大地推動該領域的發展。目前人們正在不斷地完善各種基于原子力顯微鏡技術的單分子力學測量技術,如把它與單分子熒光、單分子拉曼光譜結合起來就很可能給出更新更有說服力的結果。另外,在發展單分子實驗技術的同時,正在努力發展各種新的理論模型,將實驗與理論模擬相結合去揭示許多單分子實驗現象中的一些本質規律。我們期待隨著單分子技術的不斷發展,實驗精度的不斷提高,能夠早日提供小力區DNA分子的壓彈性模量,結合其拉彈性與扭彈性的數據,可以給出DNA分子力學性質的完整描述。總之,單分子力學是蓬勃發展的新興的交叉領域,當人們積累了大量的單分子力譜的信息后,對生命現象中一些基本過程就會有一個更深的認識;同時單個生物大分子作為天然的納米材料,深入了解其力學性質對納米器件的設計與制造也有很重要的意義。