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摘要为了探寻微观世界的奥秘，显微技术自16世纪发明以来，已经得到了巨大的发展。除了不断提升的分辨率之外，它们的种类和应用领域也越来越广泛。光学显微镜因其非直接接触、损伤小的特性，往往是生物样品观测的优先选择。近年来，各类荧光探针的发展为生物结构成像提供了丰富的选择与方法。其中，光可控的荧光蛋白与染料分子也使远场光学显微技术得以突破光学衍射极限，最为典型的就是光激活定位显微成像技术(photoactivated localization microscopy,PALM)与随机光学重构显微技术(stochastic optical reconstruction microscopy,STORM)。本文的研究工作基于常见的原核生物——大肠杆菌而进行，同时结合了荧光显微技术与其他实验手段。大肠杆菌具有繁殖快、培养简单、毒性较小等优势，是研究最为广泛的细菌之一。<br>　　本文的第一章为绪论部分，较为详细地介绍了研究领域的背景与已取得的成果，并总结了研究工作的目标与意义。我们的研究对象主要包括大肠杆菌与光激活荧光蛋白(photoactivatable fluorescent proteins，PA-FPs)，在研究PA-FPs的过程中，我们使用了PALM技术。因此，绪论中分别介绍了荧光蛋白和超分辨显微技术的起源与发展，以及大肠杆菌的生理、运动等特性。<br>　　本文的第二章描述了研究工作中的基本实验方法。首先，我们对于常用的实验试剂进行了分类介绍，包括配制过程、用途与储存方法等等。随后，我们描述了大肠杆菌的常规培养与重组质粒的构建与转化过程，它们都属于实验前重要的准备工作。最后一部分描述了对于承载细菌样品的玻片的清洗过程。<br>　　在本文第三章中，我们利用常见的一类光激活荧光蛋白——Dendra2标记了大肠杆菌的马达蛋白FliG和FliM。通过PALM实验，我们逐帧采集了Dendra2融合蛋白在大肠杆菌体内的发光信号，并进行了一系列分析，得到了单分子Dendra2的发光时间轨迹。利用PA-FPs的光物理模型以及发光轨迹得到的特征时间分布，可以拟合得出模型中的各个特征参数。大肠杆菌体内与体外纯化的Dendra2光物理特性参数存在着明显差异，证实了不同的实验过程对于PA-FPs的影响。因此，精确测量特定PALM实验中PA-FPs的光物理性质十分必要，尤其是对于超分辨图像的重构与生物结构的定量分析。我们设计的一系列步骤与方法，也可以推广至其他PALM实验。<br>　　本文第四章介绍了对于大肠杆菌趋化网络与运动行为的研究工作。由于较难长时间地观测细菌运动行为，之前对于大肠杆菌趋化网络的研究大多基于单个鞭毛马达而进行，缺乏从细胞质内的趋化信号到细菌整体运动行为的关联性探索。我们将双光镊、明场、及荧光显微镜装置结合在一起，实现了对于大肠杆菌运动行为的长时间观察。此外，我们还使用单体绿色荧光蛋白mEGFP标记了趋化响应调节蛋白CheY，并利用免疫印迹与冻干实验，标定出了菌体的荧光信号与细胞质中磷酸化的CheY(CheY-P)浓度的对应关系。我们分析并统计了多个单细菌的实验数据，直接描绘了从细胞质的CheY-P浓度到大肠杆菌整体运动行为特征参数的映射，并结合前人的研究成果进行了模型拟合。这一工作有助于从全局性的角度理解趋化网络，拟合得到的各类参数也可以利用于未来的计算建模。<br>　　本文最后一章对全文的研究工作进行了总结，并对未来的工作进行了展望。