Abstract: 這篇論文的主要目的是要探討大腸桿菌(E. coli)細胞膜上的分子馬達固定子(stator)分布的研究。大腸桿菌身長約2微米，牠可以在低雷諾數(Reynolds number)的環境以每秒約20微米的速度前進。大腸桿菌的游泳是透過鞭毛馬達的轉動驅使牠們前進，而鞭毛馬達轉動的方式是透過固定子與轉子(rotor)作用而做旋轉。目前的研究已經知道有兩種型態的固定子，分別為利用鈉離子為能量來源的蛋白複合體(PomA/PomB)，以及利用氫離子為能量來源的蛋白複合體(MotA/MotB)。固定子在大腸桿菌分子馬達上的數量至少可以擁有11個，但確切的分布目前仍然尚不清楚，因此我們想要用超高解析顯微鏡PALM，來觀測固定子在寬45奈米分子馬達上的分布。
一般螢光顯微鏡的解析極限大約是200奈米，相對於分子馬達45奈米的尺度，螢光顯微鏡是無法看到個別固定子在分子馬達上的分布。而顯微鏡的解析極限是來自於當兩個點光源同時發光，因為光學繞射的關係使得兩個光源的距離小於200奈米後，強度疊加便無法分辨光源數量與位置。如果只有單一點光源的話，透過影像的擬合分析，點光源的位置可以精準的定位到約一奈米的解析能力。因此，我們藉由可光啟動的螢光蛋白(Photoactivatable GFP, PA-GFP)，利用紫外光雷射來控制單一螢光蛋白發光，如此一來我們可以精準的定位單一螢光蛋白位置，同時也可以追蹤這些螢光蛋白的動態行為，透過我們架設的PALM超高解析顯微鏡，我們的系統最好可以達到約10奈米的定位解析能力。
從我們現在超高解析取得的結果顯示，固定子(PomA)在大腸桿菌細胞裡的分布不均勻，兩極的分布會高於細胞的中心。這樣的結果可能是由於固定子取自於Vibrio alginolyticus的鞭毛馬達系統，這種鞭毛馬達在Vibrio身上主要出現於兩極。同時我們亦紀錄了固定子的數量，固定子在大腸桿菌裡的數量經過90分鐘的紀錄，可以記錄到約2000個PomA在過表現細胞約100奈米的厚度裡。我們也做了雙色的螢光實驗，同時標記轉子與固定子的位置。透過PALM影像的重建，我們建立出在200奈米解析度下的固定子在細胞的影像，這樣的影像相似於螢光顯微鏡在螢光蛋白同時發光時會拍攝到的影像。在雙色螢光實驗的影像，固定子分布高的地方與轉子分布高的地方相吻合，確定了固定子分布在馬達轉子周圍，這是第一次藉由光學的方法看到固定子在鞭毛馬達轉子附近的分布情形，無論這些蛋白質在細胞裡是否固定我們都可以看到相似的結果。