快速冷冻显微镜技术特点

冷冻电镜技术也正在成为助力医药研发的有力手段。依托对蛋白质结构的理解，科学家正在开发更有效的治Ca药、打菌素、止痛药、麻醉剂等。中国过去10多年里，建成了世界上较大的冷冻电镜设施。中国的科学家，也在冷冻电镜领域取得了很多举世瞩目的成就，引起了世界的普遍关注。比如清华大学的施一公团队，对老年痴呆症相关的重要蛋白质结构进行了解析，对于我们理解它的发病机理甚至开发重要治疗方法有重要意义。他们对剪接体复合体一系列结构的研究帮助我们理解细胞的演化、细胞的基因调控和其他一些相关疾病有着重要意义。2019年，中国科学家利用冷冻电镜技术解析到世界上目前分辨率较高的猪瘟病毒结构，这对我们了解该病毒的发病机理，以及如何更好开发疫苗具有重要意义。冷冻电镜技术之冷冻扫描电镜是克服样品含水问题的一个快速、可靠和有效的方法。快速冷冻显微镜技术特点

冷冻电子显微镜技术在20世纪70年代时提出，经过近10年的努力，在80年代趋于成熟，近年来已经进入了快速发展的时期。它的研究对象非常普遍，包括病毒、蛋白、肌丝、蛋白质核昔酸复合体、亚细胞器等。一方面，冷冻电微镜技术所研究的生物样品既可以是具有二维晶体结构的，也可以是非晶体的;而且对于样品的分子量没有限制。因此，很大程度突破了X-射线晶体学只能研究三维晶体样品和核磁共振波谱学只能研究小分子量(小于100KD)样品的限制。另一方面，生物样品是通过快速冷冻的方法进行固定的，克了因化服学固定、染色、金属镀膜等过程对样品构象的影响，更加接近样品的生活状态。上海冷冻电镜单颗粒技术应用冷冻电镜技术之冷冻透射电镜是将样品冷却到液氮温度，用于观测蛋白、生物切片等对温度敏感的样品。

冷冻电镜技术的原理：冷冻电子显微学解析生物大分子及细胞结构的中心是透射电镜成像，其基本过程包括样品制备、透射电镜成像、图像处理及结构解析等几个基本步骤。在透射电镜成像中，电子枪产生的电子在高压电场中被加速至亚光速并在高真空的显微镜内部运动，根据高速运动的电子在磁场中发生偏转的原理，透射电镜中的一系列电磁透镜对电子进行汇聚，并对穿透样品过程中与样品发生相互作用的电子进行聚焦成像以及放大，Z后在记录介质上形成样品放大几千倍至几十万倍的图像，利用计算机对这些放大的图像进行处理分析即可获得样品的精细结构。

冷冻电镜技术的仪器结构：（1）图像记录系统：收集来自样品的电子信号，在荧光屏上形成图像。（2）电子枪：产生电子束的部分，聚光镜系统负责将电子束聚焦到样本样品上。（3）图像生成系统：由物镜，中间和投影仪镜头以及可移动平台组成。冷冻电镜已经能解析出生物大分子的原子级分辨率（0.2-0.3nm）结构，但是这一结果离物理极限还有较大距离。长久以来，冷冻电镜在结构生物学领域取得了巨大成功，目前，多构象蛋白的三维分类问题和生物大分子的动力学分析依然是充满挑战的研究方向，新型的算法发展也将主要围绕这些问题展开。而作为一种低信号源激发测试技术，冷冻电镜技术在一些对电子束、热敏感材料，如钙钛矿材料、某些高分子材料、水凝胶、量子点等精细结构的物理表征与机理研究中也具有巨大的应用潜力。他山之石，可以攻玉。随着硬件设备与模拟算法的改进，这项带着结构生物化学研究迈入新纪元的技术，未来必定拥有更加广阔的应用前景。冷冻电镜技术中的单颗粒分析法理论成像分辨率更高。

冷冻电子显微镜技术具有研究对象普遍、样品需求量少、更接近生理状态等独特优势，随着电子显微镜的硬件设备和结构解析的软件算法等方面不断取得的重要突破，冷冻电镜技术必将在研究对象、分辨率水平和研究方法等各个方面取得重大进展。当然，冷冻电镜技术也面临着许多技术上的挑战，怎样改进样品的制备技术，如何如何客观地对三维重构的结果进行检验、明确结构解析的分辨率以及对生物大分子构象不均一性的分析等仍然是冷冻电镜研究中有待解决的重要问题。但是，挑战越多，机遇也就越多。相信有关的研究者们，一定能够冷静抓住机遇，勇敢迎接挑战，让冷冻电镜技术在结构生物学、细胞生物学等领域发挥更大的作用，帮助我们更加深入、透彻地研究各种生命现象。冷冻电镜技术主要应用在单个蛋白质分子结构的分析方面。武汉冷冻电镜单颗粒技术特点

冷冻电镜技术之冷冻蚀刻电子显微镜优点：样品经冷冻断裂蚀刻后，能够观察到不同劈裂面的微细结构。快速冷冻显微镜技术特点

冷冻电镜技术的原理：透射电镜成像过程中，电子束穿透样品，将样品的三维电势密度分布函数沿着电子束的传播方向投影至与传播方向垂直的二维平面上。1968年，AronKlug发现ZX截面定理，提出可以通过三维物体不同角度的二维投影在计算机内进行三维重构来解析获得物体的三维结构。根据这一原理，利用透射电镜获得生物样品多个角度的放大电子显微图像，即有可能在计算机里重构出它的三维空间结构。在冷冻电子显微学结构解析的具体实践中，依据不同生物样品的性质及特点，可以采取不同的显微镜成像及三维重构方法。目前主要使用的几种冷冻电子显微学结构解析方法包括：电子晶体学、单颗粒重构技术、电子断层扫描重构技术等，它们分别针对不同的生物大分子复合体及亚细胞结构进行解析。快速冷冻显微镜技术特点

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