高速原子力显微镜揭秘：灵活拟合方法构建精准蛋白质运动模型

高速原子力显微镜（HS-AFM）是唯一一种可以直接观察蛋白质动态动作的实验技术。然而，作为一种具有有限空间分辨率的表面扫描技术，HS-AFM不可避免地会提供信息不足，无法对生物分子的功能进行详细理解。尽管之前在计算建模方面做出了努力以克服这些限制，但成功从测量中提取原子级别信息的应用几乎不存在。

由霍尔格·弗莱希西格（WPI-NanoLSI，金泽大学）和弗洛伦斯·塔玛（WPI-ITbM，名古屋大学理学院，R-CCS）领导的研究团队提出了一种计算框架及其软件实现方案，能够从AFM拓扑成像中推断出动态蛋白质构象的三维原子模型。

科学家们采用了塔玛团队开发的一种新的高效计算柔性拟合方法，以识别最符合实验AFM图像的原子模型。

他们首先将这种方法应用到由Flechsig团队维护的成熟BioAFMviewer软件平台中，以提供直接的工作流程，用于测量AFM成像数据。该研究已在ACS Nano期刊上发表。

对实验合作者获得的不同蛋白质的HS-AFM数据分析表明，灵活拟合可以推断出原子模型，包括大幅度运动，从而显著提高对功能性构象动态的理解，这些理解是基于分辨率有限的测量。

BioAFMviewer中灵活拟合的计算效率甚至允许应用于大型蛋白质组装，例如，作者展示了一个由约280,000个原子组成的4兆道尔顿肌动蛋白丝。一个显著的成就是展示了蛋白质动态的原子分子电影，涉及功能性构象转变，该电影是从HS-AFM地形电影数据重建的。

计算高效的灵活拟合独特软件实现，结合可用的结构数据和分子建模与实验，为广泛应用提供了机会，充分发挥HS-AFM的解释能力，通过对单分子成像数据的大规模分析，帮助我们更好地理解纳米尺度的生物过程。

灵活拟合是一种计算方法，它对静态蛋白质结构的构象运动建模，动态引导其进入最能代表实验数据的构象。由Tama小组最近开发的正常模式灵活拟合AFM（NMFF-AFM）方法，采用计算高效的迭代正常模式分析来建模大幅度的构象变化，这使得我们能够识别最佳代表测量的AFM拓扑图像的动态原子模型。

BioAFMviewer软件

BioAFMviewer项目由Holger Flechsig于2020年发起，Romain Amyot作为编程科学家，旨在提供一个独特的软件平台，整合大量高分辨率的生物分子结构和建模数据，以便分析分辨率受限的AFM测量。

一个集成的分子查看器，用于生物分子的可视化、相应的模拟原子力显微镜（AFM）和多个分析工具箱，为实验AFM数据的便捷分析提供了一个用户友好的交互软件界面。集成的NMFF-AFM灵活拟合方法的性能通过在图形处理器上执行的并行计算得到了显著提升。

更多信息： Romain Amyot等人，灵活拟合方法用于推断生物分子中大幅度构象动态的原子级精度模型，通过高速原子力显微镜成像， ACS Nano (2025)。 文献链接：DOI: 10.1021/acsnano.5c10073