High-speed atomic force microscopy (HS-AFM) is a powerful tool for studying the dynamics of biomolecules in vitro because of its high temporal and spatial resolution. However, multi-functionalization, such as combination with complementary measurement methods, environment control, and large-scale mechanical manipulation of samples, is still a complex endeavor due to the inherent design and the compact sample scanning stage. Emerging tip-scan HS-AFM overcame this design hindrance and opened a door for additional functionalities. In this study, we designed a motor-driven stretching device to manipulate elastic substrates for HS-AFM imaging of biomolecules under controllable mechanical stimulation. To demonstrate the applicability of the substrate stretching device, we observed a microtubule buckling by straining the substrate and actin filaments linked by α-actinin on a curved surface. In addition, a BAR domain protein BIN1 that senses substrate curvature was observed while dynamically controlling the surface curvature. Our results clearly prove that large-scale mechanical manipulation can be coupled with nanometer-scale imaging to observe biophysical effects otherwise obscured.

1.
G.
Binnig
,
C. F.
Quate
, and
C.
Gerber
,
Phys. Rev. Lett.
56
,
930
(
1986
).
2.
T.
Ando
,
N.
Kodera
,
E.
Takai
,
D.
Maruyama
,
K.
Saito
, and
A.
Toda
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
98
,
12468
(
2001
).
3.
T.
Sulchek
,
R.
Hsieh
,
J. D.
Adams
,
G. G.
Yaralioglu
,
S. C.
Minne
, and
C. F.
Quate
,
Appl. Phys. Lett.
76
,
1473
(
2000
).
4.
L. M.
Picco
,
L.
Bozec
,
A.
Ulcinas
,
D. J.
Engledew
,
M.
Antognozzi
,
M. A.
Horton
, and
M. J.
Miles
,
Nanotechnology
18
,
044030
(
2007
).
5.
G.
Schitter
,
K. J.
Astrom
,
B. E.
DeMartini
,
P. J.
Thurner
,
K. L.
Turner
, and
P. K.
Hansma
,
IEEE Trans. Control Syst. Technol.
15
,
906
(
2007
).
6.
B. J.
Kenton
,
A. J.
Fleming
, and
K. K.
Leang
,
Rev. Sci. Instrum.
82
,
123703
(
2011
).
7.
N.
Kodera
,
M.
Sakashita
, and
T.
Ando
,
Rev. Sci. Instrum.
77
,
083704
(
2006
).
8.
M.
Kitazawa
,
K.
Shiotani
, and
A.
Toda
,
Jpn. J. Appl. Phys.
42
,
4844
(
2003
).
9.
T.
Ando
,
T.
Uchihashi
, and
S.
Scheuring
,
Chem. Rev.
114
,
3120
(
2014
).
10.
A. P.
Nievergelt
,
N.
Banterle
,
S. H.
Andany
,
P.
Gönczy
, and
G. E.
Fantner
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
696
(
2018
).
11.
M.
Shibata
,
T.
Uchihashi
,
T.
Ando
, and
R.
Yasuda
,
Sci. Rep.
5
,
8724
(
2015
).
12.
Y.
Nishizawa
,
H.
Minato
,
T.
Inui
,
T.
Uchihashi
, and
D.
Suzuki
,
Langmuir
37
,
151
(
2021
).
13.
G. R.
Heath
,
E.
Kots
,
J. L.
Robertson
,
S.
Lansky
,
G.
Khelashvili
,
H.
Weinstein
, and
S.
Scheuring
,
Nature
594
,
385
(
2021
).
14.
T.
Ando
,
T.
Uchihashi
, and
T.
Fukuma
,
Prog. Surf. Sci.
83
,
337
(
2008
).
15.
M.
Mahdavi
,
M. B.
Coskun
, and
S. O. R.
Moheimani
,
J. Microelectromech. Syst.
29
,
260
(
2020
).
16.
T.
Akiyama
,
U.
Staufer
, and
N. F.
de Rooij
,
Appl. Surf. Sci.
210
,
18
(
2003
).
17.
M.
Balantekin
,
S.
Satır
,
D.
Torello
, and
F. L.
Değertekin
,
Rev. Sci. Instrum.
85
,
123705
(
2014
).
18.
S.
Fukuda
,
T.
Uchihashi
,
R.
Iino
,
Y.
Okazaki
,
M.
Yoshida
,
K.
Igarashi
, and
T.
Ando
,
Rev. Sci. Instrum.
84
,
073706
(
2013
).
19.
T.
Umakoshi
,
S.
Fukuda
,
R.
Iino
,
T.
Uchihashi
, and
T.
Ando
,
Biochim. Biophys. Acta, Gen. Subj.
1864
,
129325
(
2020
).
20.
M.
Rief
,
M.
Gautel
,
F.
Oesterhelt
,
J. M.
Fernandez
, and
H. E.
Gaub
,
Science
276
,
5315
(
1997
).
21.
R.
Garcia
,
Chem. Soc. Rev.
49
,
5850
(
2020
).
22.
B. R.
Neugirg
,
S. R.
Koebley
,
H. C.
Schniepp
, and
A.
Fery
,
Nanoscale
8
,
8414
(
2016
).
23.
S. R.
Baker
,
S.
Banerjee
,
K.
Bonin
, and
M.
Guthold
,
Mater. Sci. Eng. C
59
,
203
(
2016
).
24.
D.
Ahrens
,
W.
Rubner
,
R.
Springer
,
N.
Hampe
,
J.
Gehlen
,
T. M.
Magin
,
B.
Hoffmann
, and
R.
Merkel
,
Methods Protoc.
2
,
43
(
2019
).
25.
G.
Tagiltsev
,
C. A.
Haselwandter
, and
S.
Scheuring
,
Sci. Adv.
7
,
eabg9934
(
2021
).
26.
H.
Liu
,
X.
Liang
, and
K.
Nakajima
,
Jpn. J. Appl. Phys.
59
,
SN1013
(
2020
).
27.
G.
Cortelli
,
L.
Patruno
,
T.
Cramer
,
B.
Fraboni
, and
S.
de Miranda
,
ACS Appl. Electron. Mater.
4
,
2831
(
2022
).
28.
S. R.
Nasrin
,
C.
Ganser
,
S.
Nishikawa
,
A. R.
Kabir
,
K.
Sada
,
T.
Yamashita
,
M.
Ikeguchi
,
T.
Uchihashi
,
H.
Hess
, and
A.
Kakugo
,
Sci. Adv.
7
,
eabf2211
(
2021
).
29.
K. L.
De Jong
,
H. C.
MacLeod
,
P. R.
Norton
,
N. O.
Petersen
, and
M. F.
Jasnin
,
Rev. Sci. Instrum.
77
,
023701
(
2006
).
30.
E.
Hecht
,
P.
Knittel
,
E.
Felder
,
P.
Dietl
,
B.
Mizaikoff
, and
C.
Kranz
,
Analyst
137
,
5208
(
2012
).
31.
E.
Puntel
,
L.
Deseri
, and
E.
Fried
,
J. Elasticity
105
,
137
(
2011
).
32.
T.
Uchihashi
,
N.
Kodera
, and
T.
Ando
,
Nat. Protoc.
7
,
1193
(
2012
).
33.
A. T.
Sepúlveda
,
R. G.
de Villoria
,
J. C.
Viana
,
A. J.
Pontes
,
B. L.
Wardle
, and
L. A.
Rocha
,
Nanoscale
5
,
4847
(
2013
).
34.
S.
Dogru
,
B.
Aksoy
,
H.
Bayraktar
, and
B. E.
Alaca
,
Polym. Test.
69
,
375
(
2018
).
35.
A.
Müller
,
M. C.
Wapler
, and
U.
Wallrabe
,
Soft Matter
15
,
779
(
2019
).
36.
I. D.
Johnston
,
D. K.
McCluskey
,
C. K. L.
Tan
, and
M. C.
Tracey
,
J Micromech. Microeng.
24
,
035017
(
2014
).
37.
H.
Liu
,
J.
Yan
,
M.
Kollosche
,
S. A.
Bentil
, and
S.
Laflamme
,
Smart Mater. Struct.
29
,
105037
(
2020
).
38.
P.
Lenz
,
C. M.
Ajo-Franklin
, and
S. G.
Boxer
,
Langmuir
20
,
11092
(
2004
).
39.
A. G.
Richter
and
I.
Kuzmenko
,
Langmuir
29
,
5167
(
2013
).
40.
S. L.
Peterson
,
A.
McDonald
,
P. L.
Gourley
, and
D. Y.
Sasaki
,
J. Biomed. Mater. Res. A
72A
,
10
(
2005
).
41.
Y.
Berdichevsky
,
J.
Khandurina
,
A.
Guttman
, and
Y.-H.
Lo
,
Sens. Actuators, B
97
,
402
(
2004
).
42.
D.
Maji
,
S. K.
Lahiri
, and
S.
Das
,
Surf. Interface Anal.
44
,
62
(
2012
).
43.
K. L.
Mills
,
X.
Zhu
,
S.
Takayama
, and
M. D.
Thouless
,
J. Mater. Res.
23
,
37
(
2008
).
44.
N.
Bowden
,
W. T. S.
Huck
,
K. E.
Paul
, and
G. M.
Whitesides
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
2557
(
1999
).
45.
W.
Roos
,
J.
Ulmer
,
S.
Gräter
,
T.
Surrey
, and
J. P.
Spatz
,
Nano Lett.
5
,
2630
(
2005
).
46.
W.
H Roos
,
O.
Campàs
,
F.
Montel
,
G.
Woehlke
,
J. P.
Spatz
,
P.
Bassereau
, and
G.
Cappello
,
Phys. Biol.
5
,
046004
(
2008
).
47.
T.
Ozeki
,
V.
Verma
,
M.
Uppalapati
,
Y.
Suzuki
,
M.
Nakamura
,
J. M.
Catchmark
, and
W. O.
Hancock
,
Biophys. J.
96
,
3305
(
2009
).
48.
V.
Verma
,
W. O.
Hancock
, and
J. M.
Catchmark
,
J. Biol. Eng.
2
,
14
(
2008
).
49.
Y.
Jeong
,
K.
Choi
,
J.
Kim
,
D. S.
Chung
,
B.
Kim
,
H. C.
Kim
, and
K.
Chun
,
Sens. Actuators, B
128
,
349
(
2008
).
51.
H.
Felgner
,
R.
Frank
, and
M.
Schliwa
,
J. Cell Sci.
109
,
509
(
1996
).
52.
P.
Venier
,
A. C.
Maggs
,
M. F.
Carlier
, and
D.
Pantaloni
,
J. Biol. Chem.
269
,
13353
(
1994
).
53.
H.
Hess
,
J.
Howard
, and
V.
Vogel
,
Nano Lett.
2
,
1113
(
2002
).
54.
D.
Inoue
,
B.
Mahmot
,
A. M. R.
Kabir
,
T. I.
Farhana
,
K.
Tokuraku
,
K.
Sada
,
A.
Konagaya
, and
A.
Kakugo
,
Nanoscale
7
,
18054
(
2015
).
55.
K.
Fujimoto
,
M.
Kitamura
,
M.
Yokokawa
,
I.
Kanno
,
H.
Kotera
, and
R.
Yokokawa
,
ACS Nano
7
,
447
(
2013
).
56.
E.
Memet
,
F.
Hilitski
,
M. A.
Morris
,
W. J.
Schwenger
,
Z.
Dogic
, and
L.
Mahadevan
,
Elife
7
,
e34695
(
2018
).
57.
J.
Stricker
,
T.
Falzone
, and
M. L.
Gardel
,
J. Biomech.
43
,
9
(
2010
).
58.
T.
Luo
,
K.
Mohan
,
P. A.
Iglesias
, and
D. N.
Robinson
,
Nat. Mater.
12
,
1064
(
2013
).
59.
D.
Yamamoto
,
T.
Uchihashi
,
N.
Kodera
,
H.
Yamashita
,
S.
Nishikori
,
T.
Ogura
,
M.
Shibata
, and
T.
Ando
,
Methods Enzymol.
475
,
541
(
2010
).
60.
X.
Zhang
,
X.
Hu
,
H.
Lei
,
J.
Hu
, and
Y.
Zhang
,
Nanoscale
8
,
6008
(
2016
).
61.
M. B.
Jensen
,
V. K.
Bhatia
,
C. C.
Jao
,
J. E.
Rasmussen
,
S. L.
Pedersen
,
K. J.
Jensen
,
R.
Langen
, and
D.
Stamou
,
J. Biol. Chem.
286
,
42603
(
2011
).
62.
K.
Fujise
,
S.
Noguchi
, and
T.
Takeda
,
Int. J. Mol. Sci.
23
,
6274
(
2022
).
63.
P. L.
De Jager
,
G.
Srivastava
,
K.
Lunnon
,
J.
Burgess
,
L. C.
Schalkwyk
,
L.
Yu
,
M. L.
Eaton
,
B. T.
Keenan
,
J.
Ernst
,
C.
McCabe
,
A.
Tang
,
T.
Raj
,
J.
Replogle
,
W.
Brodeur
,
S.
Gabriel
,
H. S.
Chai
,
C.
Younkin
,
S. G.
Younkin
,
F.
Zou
,
M.
Szyf
,
C. B.
Epstein
,
J. A.
Schneider
,
B. E.
Bernstein
,
A.
Meissner
,
N.
Ertekin-Taner
,
L. B.
Chibnik
,
M.
Kellis
,
J.
Mill
, and
D. A.
Bennett
,
Nat. Neurosci.
17
,
1156
(
2014
).
64.
P.
Taylor
,
C.
Xu
,
P. D. I.
Fletcher
, and
V. N.
Paunov
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
5
,
4918
(
2003
).
65.
K.
Fujise
,
M.
Okubo
,
T.
Abe
,
H.
Yamada
,
I.
Nishino
,
S.
Noguchi
,
K.
Takei
, and
T.
Takeda
,
J. Biol. Chem.
296
,
100077
(
2021
).
66.
F. A.
Bayley
,
J. L.
Liao
,
P. N.
Stavrinou
,
A.
Chiche
, and
J. T.
Cabral
,
Soft Matter
10
,
1155
(
2014
).
67.
L.-L.
Li
,
Q.-J.
Guo
,
H.-Y.
Lou
,
J.-H.
Liang
,
Y.
Yang
,
X.
Xing
,
H.-T.
Li
,
J.
Han
,
S.
Shen
,
H.
Li
,
H.
Ye
,
H.
Di Wu
,
B.
Cui
, and
S.-Q.
Wang
,
Nano Lett.
20
,
6387
(
2020
).
68.
C.
Ganser
and
T.
Uchihashi
,
Nanoscale
11
,
125
(
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.