速看sml(sml是什么意思)

其实单分子定位（SML：Single Molecular Localization）还有一个哥哥叫单分子动力学（SMD: Single Molecular dynamic），今天小编就来粗浅聊聊SMD是谁。

 

引言：2014年的诺贝尔化学奖花落超高分辨显微镜（nanoscope），着实让显微成像的从业人员激动了一把尤其是当时国内还爆发了PALM与STORM的诺奖之争，更是使得单分子定位（SML：Single Molecule Localization）超高分辨率技术在中国吸引了广泛关注，引得生物、化学等领域的研究人员都想用超高分辨显微镜看看自己的样品，能否发现一些有意思的现象。

理想很丰满，现实很骨感SML成像技术涉及样品制备、原始图像采集、数据重构等一系列步骤，需要使用人员具有一定的光学、化学、生物以及计算机背景；再加之SML本身成像速度较慢，不适合进行活细胞成像，应用范围受到限制。

因此，真正将SML用起来的研究人员有限，在生物领域更是凤毛麟角坊间传言，某厂家的超高分辨显微镜在中国卖了n多台，但这些设备99%处于瘫痪或闲置状态个中原因，值得深思

其实，单分子成像技术的从业人员都知道，单分子定位（SML）还有一个哥哥叫单分子动力学（SMD: Single Molecular dynamic），在SML因为诺奖火起来之前，在生物、化学领域受到关注并被广泛使用的正是哥哥SMD成像。

2014年诺奖得主Eric Betzig、 William Moerner和华人科学家谢晓亮教授（Sunny.X.Xie）是上世纪90年代从事该研究的先驱而与诺奖失之交臂的华人科学家庄小薇教授及其师弟Taekjip Ha、以及Cornell大学的Peng Chen教授现在仍是这一领域的重要研究人员。

现在小编就来粗浅的聊聊单分子定位他哥—单分子动力学（SMD: Single Molecular dynamic）

辣么，问题来了：1、什么是SMD成像？（SMD与SML有什么区别）？2、为什么要使用SMD技术？3、SMD的主要应用领域有哪些？4、SMD技术对仪器有什么要求？

什么是SMD成像

由于衍射极限的存在，光学显微镜无法直接区分相距200nm以内的荧光分子但如果样品上的荧光标记分子（或者被标记物）比较稀疏，荧光分子之间的距离大于衍射极限，那么我们是可以观察到单个荧光分子的（或者单个被标记物）。

然后再针对某一个或某几个具体的荧光分子进行时间序列图像采集，得到单个荧光分子的空间位置随着时间的变化（Single Molecular Spatial Dynamics，SMSD，右上）或者单个固定荧光分子的荧光强度随着时间的变化（Single Molecular Temporal Dynamics，SMTD，右下）。

然后根据空间位置或荧光强度随时间的变化获得研究体系发生的生物、化学反应的具体信息

与SML相比，SMD实验的荧光标记密度低，观测对象少，不需要复杂的样品准备过程并且可对研究对象进行快速成像（＞100fps），完全适用于活细胞研究；甚至能够对快速的化学反应进行成像；也不需要后期特殊的数据重构。

因此在生物、化学领域均被广泛应用

为什么要使用SMD技术？

在阐述SMD技术的意义之前，先来回顾一下袁隆平院士发现杂交水稻的故事——“在安江农校早稻品种试验田里，袁隆平偶然发现了一株“鹤立鸡群”的水稻：株型优异，穗大粒多”，然后针对该植株进行研究，才发明了杂交水稻技术，解决了十几亿人的吃饭问题。

这个故事首先告诉我们个体之间是存在差异的；其次在进行科学研究时，要关注个体，有时候个体的研究意义甚至会大于整体如果袁老当初只关注水稻的亩产，可能也就没有后来的杂交水稻啦

其实，不止植株，同一种类的细胞乃至细胞中同一种类的生物分子之间也会存在差异比如，同一种蛋白质分子的构象会不同，所处的细胞结构环境也会不同，这些都会影响其性能而只有进行单分子研究，才能确定某种蛋白质分子在特定构象特定环境下的生化活性，更有可能获得科学发现。

SMD的主要应用有哪些？

1.单分子空间动力学（SMSD）说到SMD技术就不得不提2016年的诺奖得主，进行细胞自噬研究的大隅良典教授大隅教授正是利用单分子空间动力学（SMSD）技术来一步步阐明细胞自噬机理的以其一篇关于自噬前体（PAS）形成机理的一篇论文为例。

ATG9蛋白是组成自噬前体的重要蛋白，但是细胞中的高尔基体、内涵体、细胞质等不同结构中都存在ATG9蛋白而ATG9蛋白到底来自哪儿一直没有搞清楚，所以大隅教授就用GFP标记了ATG9蛋白，然后跟踪不同细胞结构处ATG9蛋白的运动轨迹，最终发现组成细胞自噬前提的ATG9蛋白来自高尔基体。

这种跟踪单个或多个蛋白质运动轨迹的SMSD技术在生物领域广泛应用在癌症研究中，用来观测表皮生长因子受体（EGFR）的二聚体形成时间；在干细胞研究中用来研究细胞的分化能力；等等2.单分子共振能量转移（smFRET）。

荧光能量共振转移是由两个荧光分子（一个供体、一个受体）组成染料对，如果供体荧光分子的发射光谱与受体荧光分子的吸收光谱重叠，当两个分子的距离很近（＜10nm）时，就可以利用供体分子的反射光去激发受体分子，造成供体的荧光强度比它单独存在时要低的多（荧光猝灭），而受体发射的荧光却大大增强（敏化荧光）。

但是常规的整体FRET技术只能得到某个区域的FRET效率或供体/受体分子之间的平均距离，而单个受体分子是由哪个供体分子激发？或者由多个供体分子激发？单个供体/受体之间的距离是多少？这些都不清楚而smFRET技术则可以完美的回答上述问题，这对于研究生物分子之间的相互作用、单个生物分子的构想变化等都意义重大。

3.单分子催化动力学华人科学家Sunny.X.Xie教授在98年开创了单分子催化动力学的先河他们将带有荧光的胆固醇氧化酶分子固定在玻片底部，以便长时间观察胆固醇酶催化胆固醇的氧化还原反应胆固醇氧化酶有两个态：在氧化态下，它有天然的荧光；在还原态下，它不会发光。

酶作为生物催化剂，它在这两个态之间循环，最后自己没有变化所以在实验中，单个酶分子上每一次荧光的“亮/灭”就对应着一个酶分子催化状态的循环通过分析每次催化反应的反应时间、等待时间等，就可以得到单个酶分子催化动力学数据。

后来，又有科学家利用类似的实验思路，研究不同颜色荧光分子标记的核苷酸在DNA链上的聚合反应，进行多色单分子催化反应观察，也就是近年来大热的单分子测序此外，也有科学家利用上述技术研究纳米材料的催化反应，将单分子催化动力学技术进一步拓展到材料化学领域。

SMD对仪器有啥要求？

单分子空间动力学、单分子共振能量转移、单分子催化动力学这些SMD技术与其对应的常规荧光技术相比，其实只是突出了单分子，在样品制备方面，只需要做到标记密度低，无需太多复杂操作；但是由于单分子的荧光信号弱，对成像仪器的信噪比和灵敏度提出了更高的要求，一般需采用基于EMCCD的TIRF系统，尤其在以下几个方面需要特别注意： 

1.对TIRF瞬逝场的调节精度要求更高在进行多色SMD研究时，需要利用不同颜色的激光在玻片/样品界面产生瞬逝场去激发荧光分子，以提高信噪比但是需要注意不同颜色的激光在界面处产生的瞬逝场深度之间有一定差异，即使这一差异只有几十纳米，而对于单分子实验来说也是致命的。

（毕竟一个荧光蛋白分子只有几个nm，有机染料分子更小）2.对荧光信号的采集精度要求更高影响荧光信号采集强度的两个重要部件是物镜和相机物镜的NA值决定了其荧光收集能力，NA值越高，越有利于荧光信号采集；而相机则决定了对荧光信号的检测能力，信噪比和灵敏度越高的相机，越有利于单分子实验的开展，所以一般采用高量子效率EMCCD或sCMOS。

3. 对荧光信号的保护要求更高单分子荧光信号弱，并且需要进行一定时间的序列图像采集这就需要同步激光器的开关时间和相机的曝光时间，尽量减少激光照射到样品上的时间和强度，防止荧光淬灭4. 对全套设备的稳定性要求更高。

由于单分子荧光信号太弱，任何一点扰动都可能影响检测信号，引起实验结果的错误因此单分子荧光信号对环境、显微镜主体以及激光器强度的稳定性也提出了更高的要求结语：或许没有弟弟单分子定位（SML）名头大，但哥哥单分子动力学（SMD）操作简单，无需复杂的数据重构，并且在成像速度极快，适用与生物、化学、物理、材料等多种领域的研究。

已有日本学者的专著《Single Molecular Dynamics in Life Science》出版，据小编学者，已有中国学者在进行类似《Single Molecular Dynamics in Chemistry》论著的撰写。

未来SMD在科研界的接受度如何，让我们拭目以待吧！

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