全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 20卷 第 3期
2008年 6月
Vol. 20, No. 3
Jun., 2008
单分子纳米生物技术 *
Toshio YANAGIDA1，薛晓川 2 译述
(1 Laboratory for Nanobiology, Graduate School of Frontier Biosciences, Osaka University, Osaka 565-0871, Japan;
2清华大学高等研究中心，北京 100084)
摘　要：生物分子需要相互协调组成各种分子机器，例如：分子马达、细胞信号处理器、D N A 转
录机、蛋白质合成器等，来实现他们负责的各种生理功能。一方面，这些分子机器的功能对于环境
改变有着很强的适应性，这种适应性对于生物体和生物系统的稳定来说是必须的。另一方面，由于分
子机器的大小只有几纳米并且结构具有可变性，它们的运转倾向于受到热扰动的影响具有随机性，此
外，分子机器所利用的输入能量的水平与平均热运动能量 k BT近似，分子机器可以高效地将热噪声的
能量转化利用于行使其功能，对于这些能量的利用效率也很高，这与人造机器运转所需能量远远高于
热运动能量相比有着十分显著的差别。因此，分子机器的潜在机理比人造机器复杂了许多。近些年
来，随着单分子探测技术和纳米技术在生命科学的各个领域的广泛应用，使得生物分子的动力学性质，
以及以往被隐藏在系综平均结果后的单个分子机器运转规律逐渐被揭示。我们研究的目标是希望通过揭
示分子机器的独特运转规律进而能够了解、掌握具有适应性的生物系统中包含的工程学原理。本文综
述了我们所作的一些关于分子马达、酶促反应、蛋白质动力学和细胞信号转导的单分子探测试验，并
且讨论了热涨落(噪声)是怎样在具有独特的运转规律的生物分子机器中起到正效应，进而允许生物系统
具有可变性和适应性的。
关键词：分子机器；单分子成像；单分子操纵；热噪声
中图分类号：N39; Q71; TP383　　文献标识码：A
文章编号 ：1004-0374(2008)03-0317-06
收稿日期：2008-02-25
*原英文报告名：Single molecule nanobiology
通讯作者：E-mail: yanagida@phys1.med.osaka-u-ac.jp
人们日常生活中能够遇到大大小小的人造机
器，这些机器都是由不同的零件所组装成的具有一
定功能的整体。与这些人造机器类似，复杂生物体
本身也是由许多的“零件”组装而成的，组装的
尺度从小到大可以分为：分子(DNA、蛋白质等)、
分子机器(分子马达、离子通道等)、细胞、组织
和生命体等。随着科学技术的发展，人类制造出越
来越多的机器来模仿生物的各种行为，有些人造机
器的性能，甚至已经超越了人类本身，例如国际象
棋大师卡斯帕罗夫就曾输给了电脑。进一步通过比
较生物体和人造机器，我们能够发现生物的很多性
能其实都是远远弱于人造机器的，例如运算速度人
造机器比生物快 106倍，处理信息的精确性是生物
的 1076倍，信息传输的速度也是生物的 106倍，信
息的容量更是远远大于生物体等等；但是有一点却
是生物体远远优于人造机器的，那就是在能量的利
用上面。一方面，生物体的分子机器能够利用热运
动 kBT量级上的能量，而人造机器需要利用的能量
则是在数百 kBT的量级上，较低的能量需求使得生
物分子机器相对于人造机器来说具有更多的随机性
和灵活性。另一方面，生物体能量利用的效率要是
远优于机器，例如在国际象棋人机大战的过程中，
人类思考的能耗只有 1W，而巨型计算机的运算能
耗则达到了 50000W，因此，人造机器的高性能是
建立在高能耗的基础上的。这些区别显示了生物体
的内在运转规律与人造机器是有很大的差别的。为
了揭示分子机器的独特运转规律进而能够了解具有
适应性的生物系统中包含的工程学原理，我们主要
从分子机器、细胞和人脑三个层次进行研究。采用
的方法主要有单分子成像和单分子操纵等纳米生物
探测技术。
1　单分子成像技术
生物分子的尺度是在纳米的量级上，利用现有
的技术想要直接观测一个分子是比较不容易的，但
是正如人们可以在黑暗的夜空中看见遥远的发光的
318 生命科学 第20卷
星球，如果我们能够将生物分子标记上发光的基
团，通过测量分子上发出的光，也许能够观测到单
个的生物分子。利用这种想法人们发明了单分子荧
光成像技术，用荧光染料将生物分子染色后，利用
激光激发并用表面荧光显微镜( ep i f l uore s eence
microscope)观测，可以探测到不同的分子发出的荧
光。但是在这样的观测过程中，由拉曼散射或是杂
质等因素导致的干扰将是很大的，从而使得荧光的
分辨率减低。为了降低这些噪声，我们开发了全内
反射荧光显微镜(TIRFM)，利用光在石英上的全反
射过程中透过石英的衰逝波来激发荧光，从而减少
光噪声进入物镜的机率，通过这种方法我们可以将
背景噪声降低到传统方法的约 1/2000[1]。这种技术
可以更好地探测分子马达、ATP酶(酶促反应)、蛋
白质构象变化(利用荧光共振转移)、DNA马达、活
体细胞中的信号传导等各种生物分子的运转及生理
过程。
这种技术首先被我们用于观察分子马达
(Kinesin、Myosin)在相应的轨道[(微管(microtubule)、
肌动蛋白丝(actin filament)]上的运动[1,2]。其中Myosin
V是一种负责运送货物的分子马达，它在细胞内形
成一个二聚体，通过利用水解ATP的能量沿着肌动
蛋白丝正极方向拖着细胞器一起运动(图 1A)。通过
将Myosin V蛋白双体的一个头部标记上绿色荧光量
子点，将肌动蛋白标记上红色荧光量子点，利用全
内反射显微镜以及实时纳米荧光成像技术(FIONA)，
我们可以观测到绿色的Myosin V在红色的肌动蛋白
丝上的运动(图 1B)。进一步利用计算机图像分析技
术，我们可以使得光点的空间分辨率达到 1nm的尺
度，而记录的时间分辨率也可以达到毫秒量级。这
样通过对获得的图像进行分析，我们就可以对Myo-
sin V的运动过程有一个直观的认识。通过对纳米和
毫秒尺度的Myosin V运动图像分析(图 1C)，我们
可以看出Myosin V在肌动蛋白丝上的运动并不是连
续进行的，而是像人类行走一样是一步一步进行
的。对于单头来说，观测显示每一步跨越的距离为
72nm。在每一步行走之间都会有一个较长时间的等
待过程，这个时间包含了另一个头的运动过程和等
待ATP进入的时间。结合以往已知的位于Myosin V
两头之间颈上货物的运动步长为36nm以及Myosin V
双体的两个头绑定在肌动蛋白丝上后之间的距离是
36nm，这里观察到单头每步行进 72nm的结果证实
了Myosin V的行走是通过“hand-over-hand”的机
制进行的，即每一步都是靠后一个头脱离肌动蛋白
丝并跨过绑定的另一个头，然后在前方 36nm处结
合，就像人类正常走路时两个脚的行为一样[3]。
在Myosin V运动的过程中，ATP的结合和水
解过程起到了关键的作用。Myosin V的头本身具有
ATP酶的效果，它可以和ATP结合，将其水解成为
ADP和Pi并释放出去，利用水解过程所释放出来的
能量使其结构发生变化，进而改变布朗运动的倾向
性，从而使得Myosin V能够定向运动。因此，如
果能够直接观测到每一次ATP酶水解ATP的反应，
将更加有助于我们理解ATP水解和Myosin V运动的
耦合关系。对此，我们尝试利用荧光标记后的ATP
类似物 Cy3-ATP来观测ATP与Myosin V的结合和
脱离的过程[4]。当 Cy3-ATP加入溶液中后，由于分
子本身会在溶液里面作快速的布朗运动，因此，观
图 1
A：Myosin V在肌动蛋白丝上的运动示意图；B：Myosin V在肌动蛋白丝上运动的荧光图像；
C：Myosin V运动的轨迹时间图，每一红色线间间隔 72nm
319Toshio YANAGIDA：单分子纳米生物技术第3期
测到的光斑将会比较模糊，而只有当Cy3-ATP或者
水解后的Cy3-ADP绑定在固定的Myosin V上时荧光
才会呈现出比较显著的光点(图 2A)，溶液中其他的
荧光噪声也会被TIRFM滤去。这样我们就可以清楚
地观测到每一次的ATP水解反应了。利用实时荧光
成像技术和计算机图像分析技术，我们可以得到
ATP与Myosin V结合和 ADP脱离的时间序列(图
2B)，并统计得到ATP(ADP)在Myosin V上结合的
时间分布(图 2C)。通过分析可以看出结合时间的分
布呈指数形式，因此，ATP的水解过程的发生是一
个随机过程。
除了观测单个分子马达的运动，全内反射荧光
显微镜还可以用于活体细胞内的单分子信号传导过
程。利用这种技术，我们观测了表皮生长因子受体
(EGFR)与上游信号表皮生长因子(EGF)[5]及与下游蛋
白质(Grb2)的相互作用[6]、癌症抑制因子PTEN的作
用机制[7]，以及 cAMP与细菌化学趋向性之间的联
系[8]。这些研究显示出了蛋白质结合以及磷酸化过
程中的一些动力学机制，也反映出了信号通路在有
噪声环境下的稳定性，这些结果为我们更加深入地
理解细胞信号传导过程奠定基础。
2　单分子纳米操纵技术
随着技术的发展，人们不仅能够直接观察到纳
米尺度上的单个分子的相互作用，而且已经可以直接
操纵单个分子。我们利用的单分子操纵技术主要有两
种，一个是光阱技术(optical tapping nanometry)[9,10]；
另一个是扫描探针技术(scanning probe nanometry)[11-13]。
光阱技术是建立在光辐射压原理上的，利用(红外)
激光与物质间进行动量传递时的力学效应形成三维
光学势阱[ 9 ]。光学势阱可以无损伤地操纵活体物
质，具有非接触性、作用力均匀、微米量级的精
确定位等特点。这种技术可以用于操纵单个DNA或
蛋白质分子，观察它的力学性质；也可以实时观测
RNA聚合酶在DNA转录过程中的运动状态[14]等。扫
描探针技术是在玻璃探针头上再用ZnO晶体做成一
个长约 5— 7µm，并且有非常细的尖端(曲率半径约
15nm)的细探针。利用这个细探针的压电特性以及
很小的硬度(0.01－ 0.03pN/nm)，可以探测微小的
位移和力学性质的变化[13]。因此，这个技术可以用
于探测分子马达的运动。
利用这些技术我们研究了肌动球蛋白
(actomyosin)的运动机制[13]。肌动球蛋白也是分子
马达Myosin中的一种，不过与上面提到的Myosin V
以双头的形式在肌动蛋白丝上行走不同，肌动球蛋
白是以单头的形式存在于肌肉细胞中的。当每个
ATP被它水解之后它可以拉动肌动蛋白丝行走一
步，大量的肌动球蛋白的协同作用最终导致了肌肉
的收缩现象。在不影响肌动球蛋白头部的ATP酶活
性和与肌动蛋白结合能力的前提下，我们将肌动球
蛋白用荧光标记，并将其捕获到扫描探针上。当它
没有结合在肌动蛋白上的时候，由于热涨落，通过
实时荧光成像观测到的位置变化的均方根会有
13nm，而当它结合到肌动蛋白上受到限制之后这个
涨落就会减小到 4.5nm。另一方面，当肌动球蛋白
结合到肌动蛋白上后，由于在肌动蛋白丝上的运动
会使得整体的硬度大大增加。利用这两个特性我们
可以很容易的分辨出两种蛋白质结合和运动的过程
(图 3)。在较低的时间分辨率下，我们可以看到运
动的结果似乎与前面的双头Myosin V相似，都是结
合在肌动蛋白上之后突然的走一个较大的步长，然
图 2
A: 荧光观测ATP结合到Myosin V上；B: ATP与Myosin V结合的时间序列图，图中标明了 ATP的结合和ADP的脱离时
间点；C: ATP(ADP)在Myosin V结合时间的分布
320 生命科学 第20卷
后由于受到扫描探针的限制使得肌动球蛋白的颈部
受到较大的张力而停止运动，最后脱离肌动蛋白。
但是如果我们进一步的提高时间分辨率的话，就会
发现行走实际上是由许多的5.5nm步长的小步组合成
的(图 3)。实际上 5.5nm就是一个肌动蛋白丝上的一
根链(图 1A)中两个肌动蛋白之间的距离。因此，很
有可能肌动球蛋白是沿着一条肌动蛋白链在运动。
在实验结果中我们还观察到了向着负向行走的过程
(大约占 10%)，这就提示我们实际上肌动球蛋白的
运动很有可能是采用有偏布朗运动的机制，而非是
像人们以往假设的通过构象变化产生定向运动。
ATP在肌动球蛋白的运动过程中起到了提供能
量的作用，但是这个能量的具体效果是什么并不明
确。因此，在有了纳米荧光成像和纳米操纵技术之
后，我们可以同时观测肌动球蛋白的运动和ATP的
水解的耦合情况[15]。实验装置如图 4A所示，利用
Cy3-ATP和实时荧光成像技术我们可以测量ATP的
水解过程，然后利用光阱控制肌动蛋白丝，当肌动
球蛋白拉动肌动蛋白丝运动时，就会改变光阱中小
球的受力，从而得以测量运动过程。通过这个实验
我们观测到ATP的结合与肌动球蛋白脱离肌动蛋白
是直接相关的(图 4B)，每当 ATP结合，荧光强度
增大的时候，位移和张力就会同时减小，说明肌动
球蛋白与肌动蛋白脱离开了；但是当我们观测ADP
图3　扫描探针技术测量肌动球蛋白的运动
A: 较低时间分辨率的结果；B: 较高时间分辨率的结果
图4　同时测量肌动球蛋白的ATP水解过程和机械运动[15]
A: 实验装置示意图；B、C: ATP结合以及ADP脱离对肌动球蛋白运动的影响，上图显示肌动球蛋白的位移与时间的关系，
中图显示张力与时间的关系，下图显示相应的荧光强度与时间的关系
321Toshio YANAGIDA：单分子纳米生物技术第3期
的脱离与运动的关系时，我们发现ADP的脱离不会
直接导致运动的停止，在很多情况下ADP脱离后的
几百微秒内运动仍会继续进行(图 4C)。这就暗示着
以往认为的运动与结合核苷酸直接相关的假设有可
能是不正确的。实际上ATP水解的能量很有可能是
通过储藏在肌动球蛋白或是肌动蛋白中而逐渐消耗
掉的。
综合以上这些实验结果，我们得出肌动球蛋白
的可能运动机制为[16]：肌动球蛋白的头部实际上是
利用热涨落的能量在肌动蛋白丝上作布朗运动，但
这个布朗运动不是完全随机的，而是有偏向性的，
偏向性由肌动球蛋白的颈部通过感受外界张力来调
控，只有正向的运动使得张力大过某一临界值时，
运动才会停止。在整个过程中ATP仅是用于调控肌
动球蛋白和肌动蛋白丝之间的结合和解离过程，进
而可能与随机运动的倾向性的调节有关，但它的能
量并不直接用于运动过程。因此，分子马达不仅不
需要去克服布朗运动来实现定向运动，而且实际上
定向运动正是由于布朗运动导致的，这就使得分子
马达能够直接利用热涨落水平的能量，并且达到很
高的能量效率(>50%)。由于对布朗运动的直接利用
导致了分子马达的运动有着很大的不确定性和随机
性，这些性质使得生物系统有较大的可变性和适应
性，最终使生物系统体现出较之人造机器复杂得多
的特性。
3　细胞和大脑方面的一些研究
环境中包含了各种各样的大量信息，由于各种
信息中往往包含了很强的噪声，导致了人造系统为
了克服噪声的影响需要很高的能量供应，例如，一
台计算机处理 1bit的数据需要消耗 2×107kBT的能
量。生物系统同样也需要从环境大量的噪声中分析
出有用的信号进行处理，显然噪声对于生物体来说
也可能会有不利的影响；但是如果生物系统在信号
处理的过程中能够像上文中显示的那样直接利用噪声
的能量，就可能使得处理信息对能量的消耗大为降
低，每处理 1bit的数据需要的能量仅为 0.7kBT。
对于Dictyostelium细胞的化学趋向性的研究显
示了一个很好的在噪声环境中具有稳定性的例子[8]，
虽然上游 cAMP 信号会包含有很大的噪声，但是
Dictyostelium细胞总能够识别信号，产生稳定的化
学趋向性。而最近我们对于变形虫(Ameba)在电场
中的运动的研究，则显示生物系统确实有可能利用
噪声的能量作为信号。当在我们在溶液中加上电场
(2mV/10um)时，变形虫会向着负极的方向运动。
而如果我们在恒定电场的基础上再加上一个 1mV/
10um噪声后，变形虫仍旧能够向着负极方向游动，
并且通过统计游动的速度我们发现，加入噪声后的
游动速度实际上是快于没有加入噪声时的(图 5)。这
个例子说明，生物系统确实有可能直接利用环境的
噪声作为信号，以提高能量的利用效率[17]。
通过对人类视觉感知系统的研究，我们发现涨
落现象在组织的层次上仍旧是可能存在的，而且涨
落对于人脑进行视觉感知存在的灵活性还可能是必
需的。例如有一类被称为多意图形的图片，不同的
人去看可能会看到不同的图像，这就是大脑中的涨
落在起作用。我们通过招募志愿者，让他们对一些
隐藏含义图片进行识别，并统计他们识别的速度，
发现识别过程的速度可能由公式：
v = 1/t = cexp(– M / S)
进行描述。其中M代表隐藏图片的难度；S代表测
试者的能力。隐藏图片难度越低，或者测试者的能
力越强，则识别所需要的时间就越短。通过与化学
反应速率的 Arrhenius公式：
v = 1/t = cexp(– ∆E / kBT)
对比表明，我们发现隐藏图片的难度 S相应于化学
反应的能垒高度，图片难度越大则相应于势垒高度
越高。而测试者的能力则相应于热涨落的能量。因
此，测试者的能力就相当于大脑的涨落水平，涨落
越大，则“温度”越高，测试者的能力也就越强。
这个类比给出了大脑中涨落现象的直观说明。
随着技术的进步，人们已经可以将观察的视野
延伸到纳米尺度上，并且能够在这个尺度上对生物
系统进行探测，甚至操纵。利用这些技术，我们
可以揭示出越来越多的隐藏在系综平均结果后的单
个生物分子的特性。通过我们对于单分子水平、细
胞水平和组织水平的一系列研究发现，生物系统中
存在的涨落现象和随机性是具有普遍性的。生物系
图5　噪声对于变形虫运动的影响
322 生命科学 第20卷
统能够直接利用热涨落和噪声的能量，这是生物系
统的能量利用效率远高于人造机器的原因之一。通
过这些对于生物系统的工作原理的了解，我们期望
将来能够利用这些原理制造出更优越的人造机器来
为人类服务。
[参　考　文　献]
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上海生科院4人入选上海分院十大青年科技创新人才
2008年 5月 19日，中科院上海分院举行“杰出青年科技创新人才表彰会”，表彰十大杰出青年科技
创新人才。中科院副院长、上海分院院长江绵恒，上海市委常委、组织部长沈红光出席表彰会，并为
获奖者颁奖。生化与细胞所王琛研究员与宋保亮研究员、神经所熊志奇研究员、药物所徐明华研究员分
别获奖。
该称号旨在表彰在中科院知识创新工程中发挥表率作用，并为我国经济建设、国家安全和社会可持续
发展努力奋斗作出创新性贡献的青年科技工作者，共 10人获得该殊荣。
摘自 http://www.sibs.ac.cn
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