單分子技術（Single-Molecule Techniques）簡介

單分子技術（Single-Molecule Techniques）簡介
國立臺灣大學分子細胞生物學所吳克韓碩士

單分子技術的特色在於個別分子的觀察。舉例來說，在傳統分生實驗中，觀察濃度 $$1~mM$$ 的樣品，$$1~ml$$ 的反應體積中就有多達 $$10^{12}$$ 個分子，所以得到的，是多個分子均值的觀察結果。

事實上，每個分子的表現都有所差異（尤其在一些快速的反應步驟或微小族群的表現），而這些差異，若是透過傳統分生技術觀察就會被掩蓋。另外，更重要的是，單分子技術可以“操縱”分子。舉例來說，依條件所需對分子施加不同的作用力，在不同的受力下分子會表現出不同的特質。利用這樣的方式，可以觀察到分子更多細微的表現。

光鉗實驗設計示意圖：黑色線條的RNA分子，固定於兩顆奈米珠之間，奈米珠分別由微管及雷射固定。
實驗過程移動雷射位置改變兩奈米珠間的距離，進而拉扯RNA的結構。
(來源：吳克韓。用單分子技術研究核醣體對訊息核醣核酸二級結構的影響。
國立臺灣大學生命科學院分子與細胞生物學研究所碩士論文)

單分子技術在實驗方法上可以分為兩大類：一種是對分子施加外力，像是光鉗（optical tweezers）、磁鉗（magnetic tweezers）和原子力顯微鏡（atomic force microscopy）。其中光鉗的做法，是利用磁珠分別修飾於待測分子之上，再以雷射光去移動兩磁珠間的位置，磁珠距離的改變，進而拉扯分子達到施力的效果；另一種是利用螢光標記待測分子使其發光成像，此種種類較多，包括共軛焦顯微鏡（confocal fluorescence microscope）、全反射螢光顯微鏡（total internal reflection fluorescence，TIRF）和螢光共振能量轉移技術（fluorescence resonance energy transfer，FRET）等等。

單分子技術目前已被廣泛應用在生命科學領域，像是在蛋白質表現和分子間交互作用的相關研究，都可發現其身影。而依照應用的對象，單分子技術可以大致分為兩類：第一類是馬達蛋白（motor protein）的移動和行為表現。例如，核醣核酸聚合酶（DNA/RNA polymerase）利用核苷酸生成核酸，解旋酶（helicase）解開雙股DNA，細胞骨架（cytoskeleton）的行為等等。第二類是觀察蛋白質和核酸二三級結構的摺疊情形。另外，單分子技術也可以結合傳統的分生技術（像是pull-down assays, microarrays等等），進一步得到更多的資訊。

參考文獻：

• Bustamante, C. (2008). In singulo biochemistry: when less is more. Annu Rev Biochem, 77, 45-50.
• Neuman, K. C. and A. Nagy (2008). Single-molecule force spectroscopy: optical tweezers, magnetic tweezers and atomic force microscopy. Nat Methods, 5(6), 491-505.