為了增加我們對單分子水平上生物分子結構動力學的理解，需要在亞納米尺度和生理相關條件下捕獲它們。目前很少有技術可以做到這一點。現在，科學家們開發了一種計算技術，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條件下蛋白質和其他生物結構的原子水平細節，為了解生物學世界打開了一扇新的窗口。

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

雖然X射線晶體學和低溫電子顯微鏡可以確定分子結構，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條件下分析生物分子，但得到的圖像模糊不清，分辨率低。

Weill Cornell醫學院麻醉學生理學和生物物理學教授Simon Scheuring博士說：“原子力顯微鏡可以很容易地分辨物理學中、硅酸鹽固體表面和半導體上的原子，因此，這意味著原則上這臺機器具有做到這一點的精度。這項技術有點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。實際上，我們的筆是一根尖細到幾個原子的針，物體是單個蛋白質分子。”

然而，afm原子力顯微鏡的分辨率限制了對生物分子構象細節的評估。為了解決這個問題，Scheuring和他的同事們采用了一種來自光學顯微鏡的概念，稱為“超分辨率顯微鏡”。“從理論上講，光學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。”他說。然而，通過刺激相鄰分子在不同時間發出熒光，顯微鏡學家可以分析每個分子的擴散情況，并高精度地確定它們的位置。

Scheuring的團隊沒有刺激熒光，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生了相似的位置數據傳輸。第YI作者George Heath博士，曾是Weill Cornell醫學院博士后研究員，現在是利茲大學的教員，從事實驗和計算模擬的循環，以更詳細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動分子圖像。在這項工作中，該小組提出了定位原子力顯微鏡（LAFM），這是一種可以克服當前分辨率限制的技術。作者寫道，通過對高速 afm原子力顯微鏡和傳統 afm原子力顯微鏡數據中的峰值位置應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置的限制，并在自然和動態條件下解析軟蛋白表面上的單氨基酸殘基。”

由于之前的原子力顯微鏡研究通常會收集必要的數據，因此新的技術可以追溯到該領域幾十年來產生的模糊圖像。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。再分析產生的圖像更加清晰，與分子的X射線晶體學結構非常吻合。“現在基本上可以在這些表面上獲得準原子分辨率。”研究人員說。為了展示該方法的強大功能，作者提供了有關膜聯蛋白（一種參與細胞膜修復的蛋白質）和一種質子氯化物逆向轉運蛋白的新的高分辨率數據，他們還報告了與其功能相關的結構變化。

除了允許研究人員在生理相關條件下研究生物分子外，這種新方法還有其他優點。例如，X射線晶體學和低溫電子顯微鏡依賴于大量分子的平均數據，但原子力顯微鏡可以生成單個分子的圖像。“我們不是觀察幾百個分子，而是觀察一個分子一百次，然后計算出一張高分辨率圖譜。”研究人員說。

在單個分子執行其功能時對其進行成像，可能會開啟全新的分析類型。“假設你有一個（病毒）刺突蛋白，它處于一種構象中，然后它被激活并進入另一種構象。”研究人員說，“原則上，當同一個分子從一種構象過渡到另一種構象時，你可以計算出它的高分辨率圖譜，而不是從一種或另一種構象中的數千個分子中計算出來。”這種高分辨率的單分子數據可以提供更詳細的信息，避免在對多個分子的數據進行平均時可能出現的潛在誤導性結果。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。