厦门单颗粒冷冻电镜技术应用

冷冻电镜技术具有分辨率高、更接近天然状态、适用研究对象普遍等特点，越来越多的科学家开始把冷冻电镜技术作为研究的一个新方向。冷冻电镜技术与X射线技术和核磁共振技术互相补充，让绝大多数的蛋白质的结构都可以被解析。众多领域的研究者们将在未来冷冻电镜新的技术方法的开发中发挥重要的作用，成为该技术的进一步完善与成熟的重要力量。冷冻电镜领域研究者们则需要以主动开放的态度吸引其他领域研究者的合作，并积极迎接来自更多领域研究者的挑战，保持并发展自己的技术特长，站在技术发展的制高点上选准研究方向，始终在冷冻电镜的技术前沿上开疆拓土。冷冻电子显微镜技术之样品成像：低剂量辐照成像，普通样品材料在进行表征时，电子剂量越高成像质量越好。厦门单颗粒冷冻电镜技术应用

单颗粒冷冻电镜技术的颗粒挑选：接下来需要从原始数据中筛选出颗粒投影，也被称为“颗粒挑选”，颗粒挑选的好坏也将影响所有后续的分析和处理过程，是一个重要并且繁琐的步骤。颗粒挑选方式可以分为手动挑选、半自动挑选和完全自动挑选这几种。在早期的分析中，对于结构的了解还非常少，优先考虑的都是人工挑选。但是自动的颗粒图像获取方法的出现使得在很短时间内可以收集数十万张颗粒图像，人工挑选大量的颗粒图像不太现实，并且人工的挑选通常会过于集中于某一类颗粒图像，导致遗漏和偏差。半自动和全自动的方法主要有以下三类：(1)通过例如降噪、反衬增强、边缘算子等图像形态学方法搜索区域，基于数字图像处理学的原理，将颗粒图像与背景分离开来。(2)基于模板的方法，通过扫描数据图像和已知的模板比较来挑选出潜在的颗粒图像，模板的来源通常为手动选出的数据图像中较为清晰的颗粒图像，或者是已知结构的投影。(3)结合无模板和有模板的方法，通过一些有监督的机器学习算法进行颗粒挑选。厦门单颗粒冷冻电镜技术应用冷冻电镜技术之冷冻蚀刻电子显微镜优点：可研究细胞内的膜性结构及内含物结构。

单颗粒冷冻电镜技术样品的筛选和数据采集：在开始高分辨数据采集前，可以利用冷冻电镜先对样品质量进行评估，包括但不限于蛋白浓度、稳定性和分布，冰层厚度、质量和载网各处的均一性等的检查。用户可以在120kV电镜或200kV电镜上进行此筛样过程。待到样品通过筛选，用户可以利用300kV或200kV电镜采集更大的数据量来帮助开展2D和3D分析。200kV-TalosArctica透射电镜配备了直接电子探测相机FalconIII,在样品质量较高时，较高可以获得<3Å的数据。目前的300kV-TitianKrios透射电镜有两套，其中一台配备了目前行业前列的K3直接电子探测相机，另一台配备有K2相机和能量过滤器，两套电镜均能够进行全自动、长时间无人照看的数据收集操作，可实现样品的大规模数据采集，并获得极高分辨率的结构信息。收集得到数以万计的单颗粒物照片后，用户可以使用平台集群已安装的常用三维重构计算软件以及相关生物软件对数据集进行计算处理。

冷冻电镜技术解析结构的一般流程是怎样的？对样品的要求是什么？冷冻电镜解析蛋白结构一般流程为：蛋白表达纯化；负染样品准备：约2小时完成；负染样品的数据收集：约8小时完成；冷冻样品的准备：约4小时完成；冷冻样品的数据收集：48-120小时完成。三维结构重建。冷冻电镜解析蛋白结构对蛋白质的要求：分子量：一般需要样品的分子量在200kD以上。缓冲液：缓冲液中不能含有多糖，DMSO，甘油等有机物质，这些会降低样品的衬度，难以获得高分辨的三维结构。一般而言，缓冲液为20mMHepes，150mMNaCl。浓度：一般而言，可溶性蛋白浓度应在1mg/ml左右，膜蛋白应保证浓度在5mg/ml左右。体积：20ul足够（前提是需要蛋白浓度达标，做一个样品3ul左右）。均一性：分子筛行为表现为单一的峰，均一性大于90%。冷冻电镜技术助力快速、高效的新药研发。

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。冷冻电镜技术测定结构的几种方法：X射线晶体学、NMR、和冷冻电镜技术。厦门单颗粒冷冻电镜技术应用

冷冻电镜技术之冷冻扫描电镜是防止样品丢失水分的特别有效方法，它能应用于任何真空状态。厦门单颗粒冷冻电镜技术应用

冷冻电子显微镜技术中单颗粒重构技术：该技术也叫做单颗粒分析，主要适用于结构具有全同性的生物大分子的结构解析，蛋白质的分子量通常要求在100KD以上，在颗粒数目足够多的情况下，理论上其分辨率可以达到原子水平。该方法的图像处理和三维重构计算过程如下:从原始的电镜照片中将颗粒图像挑选出来，对其进行二维图像对中、分类和平均，然后通过计算等价线的方法推算各分类图的取向，利用傅里叶重构法建立始三维结构模型，通过对原始图片或分类平均图与结构模型投影的匹配，优化取向参数，进而得到更准确的三维结构模型，如此反复对初始结构模型进行修正，直到收敛获得较终的结果。单颗粒重构技术近年来发展迅速，应用普遍，不断有文章报道利用此技术所获得的大分子复合物的三维结构。厦门单颗粒冷冻电镜技术应用