布鲁克纳米表面仪器部 郭鑫博士
抗原和抗体相互作用对于哺乳动物免疫系统非常重要。了解抗原抗体相互作用的机理是了解免疫系统运作原理的基础。但是在单分子层面上进行抗原抗体动态作用的研究还很困难。传统上，使用X射线单晶衍射（X-ray crystallography）来得到蛋白结构原子尺度的结构。冷冻电镜（cryo-EM）也可以在原子级分辨率获得抗体的结构。但是由于缺乏时间分辨率，这些方法都无法得到抗原抗体结构构象的动态变化和中间结构。
传统原子力显微镜已经可以在生理条件下扫描得到生物分子的构象，但是其受限于较慢的扫描速度难以捕获动态过程。现在随着视频级别快速原子力显微镜的发展（video rate high- speed AFM，about 10 frames/s），我们现在可以在生理条件下实时观察生物分子的动态变化。
上海交通大学樊春海院士课题组在三角形DNA origami以一定间距上构建免疫球蛋白G (IgGs) 的抗原表位（Epitope spikes），使得IgG抗体可以结合在相应位置。通过快速原子力显微镜研究抗原抗体相互作用。
在PeakForce Tapping原子力显微镜图像下，Y型的IgG抗体可以在清楚的在抗原间距为8，10，16 nm的位置观察到。
使用快速原子力显微镜在2 frames/s的扫描速度下（sample/line 150），可以观察到抗原间距为5，8，10，16 nm的IgG抗体都在摇摆。其中抗原间距为5 nm的IgG抗体在面内面外摇摆，其余在左右摇摆。
在抗原间距为10 nm的结构中，可以清楚的看到IgG抗体结合抗原的过程。
在2.0 s时可以看到橘色圆圈中的IgG抗体。在2.5 s时，蓝色圆圈内抗体结合到一个抗原上；在之后的绿色圆圈中，抗体与两个抗原紧密结合。
这一过程可以简化为三步。1）抗体游离在外部；2）抗体与抗原单价结合；3）抗体与抗原双价结合。
通过统计不同的抗原间距，不同种类的抗原以及进行coarse-grained molecular dynamics (MD) 模拟，作者得出结论：抗原间距在10 nm时IgG抗体抗原的结合效率最高。
图a 中为不同抗原间距下抗体结合的效率统计。图b为MD模拟出的IgG抗体最佳结合距离。图c 为MD拟合中的IgG抗体构象。图d 为AFM实际扫描出的IgG抗体构象。
使用先进的快速扫描原子力显微镜，可以在生理状态下实时观察抗原抗体相结合的动态过程，获得普通原子力显微镜以及X射线单晶衍射、冷冻电镜无法捕捉动态信息。
“So many things are still hidden in biological molecules. To uncover their unexplored secrets, there is a true need to directly observe individual molecules during their functional activity. The NanoRacer is the fastest commercial, high-speed AFM available, enabling their direct observation in real-time. A lot of innovative ideas have been incorporated for easy operation and high performance, and it is my utmost wish that many researchers will use the NanoRacer to reach their goals and make exciting discoveries.”
Professor Toshio Ando, Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), Kanazawa University, Japan
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论文链接：
Zhang, P., Liu, X., Liu, P., Wang, F., Ariyama, H., Ando, T.,Lin J., Wang L. , Hu J., Li B., & Fan, C. (2020). Capturing transient antibody conformations with DNA origami epitopes. Nature communications, 11:3114.
https://doi.org/10.1038/s41467-020-16949-4
Bruker NanoRacer简介：
https://www.jpk.com/products/atomic-force-microscopy/nanoracer
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