球形肌动蛋白(G-actin)可在一定的生理条件下自组装形成纤维肌动蛋白(F-actin),而纤维肌动蛋白可在一定条件下去组装形成单体肌动蛋白,两种肌动蛋白(actin)的相互转换在细胞质分裂、细胞迁移、胞吞作用以及细胞内物质运输等方面起着举足轻重的作用。一方面,肌动蛋白作为三种主要的细胞骨架之一,细胞内的肌动蛋白分子能够通过聚合和解聚行为对机械力进行响应,这对于很多的细胞过程具有举足轻重的作用,但其背后所蕴含的深层机制仍然未被人们所了解,对于机械力是否能够直接影响肌动蛋白的组装过程还未见报道。另一方面,肌动蛋白很重要的一个功能是作为细胞内物质运输的轨道。在进行物质运输时,肌球蛋白作为分子马达的一种,携带着要运输的物质在肌动蛋白构成的网络轨道上达到细胞内的各个角落。因此,纤维肌动蛋白作为蛋白质分子马达的运动轨道,可以被用来设计和构建具有特定功能的人工集成纳米生物机器,在物质的微观运输方面有巨大的应用潜力。由于人工纳米生物机器需要在不同的基底上运行,因此,研究单体肌动蛋白在不同基底的组装行为,有很好的学术意义和应用前景。针对上述科学问题,本论文利用原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)主要进行了以下三个方面的工作:工作一、采用兔骨骼肌肌动蛋白作为研究对象,通过搭建原子力显微镜液相实时进样装置观察并对比单体肌动蛋白在不同基底上的组装过程。实验中发现,肌动蛋白在云母衬底上组装时形成较少的成核位点,然后组装成长达几十微米的纤维;而在带有正电荷的磷脂膜(DPPC:DPTAP=4:1)衬底上则快速大量地成核,组装形成较短的纤维。成像时所用的机械力应≤50 pN,所用的衬底应带有一定的正电荷。研究结果为构建肌动蛋白轨道上的纳米分子马达运输系统提供了基础。工作二、利用液相下轻敲模式的原子力显微镜在原位研究了机械力对肌动蛋白聚合解聚的影响。首次发现了体外的肌动蛋白能够在没有肌动蛋白相关蛋白的辅助下直接对机械力作出响应,当施加较小的力时,单体肌动蛋白单体能够被诱导快速地组装形成纤维肌动蛋白,而当施加的力较大时,纤维肌动蛋白将解聚。这项研究将有助于理解肌动蛋白在机械力存在下的行为表现。工作三、探索了通过物理的方法对体外组装纤维肌动蛋白轨道进行排布的可能性,分别使用了分子梳技术、PDMS印章技术以及原子力显微镜的切割操纵技术进行了探究。实验发现,分子梳技术总体上能够较好地对纤维肌动蛋白进行较为规则的排布,使纤维肌动蛋白在APTES-Mica上呈现出平行地排列,此技术操作简单、方便快捷,能够在较短地时间内完成对纤维肌动蛋白轨道的粗略排布。原子力显微镜的操纵能够对纤维肌动蛋白的精确位点进行切割,结合分子梳技术能够更为精细地排布纤维肌动蛋白轨道。