冷冻透射电子显微镜技术应用

冷冻电子显微技术主要包括单颗粒冷冻电镜技术和冷冻电子断层扫描技术。单颗粒冷冻电镜技术首先捕获大量随机分布的同一种生物样品的二维图像，然后通过图像处理算法解析其三维结构。近年来，随着冷冻电镜设备和计算机软硬件的快速发展，特别是随着直接电子探测器在冷冻电镜中的应用，单颗粒冷冻电镜技术迈进了原子分辨率水平，在生物学、医学和新药研发等领域发挥着越来越重要的作用。冷冻电镜通过记录单个生物样品在倾斜旋转过程中投影的一系列二维图像，采用特殊的算法计算，将二维图像重构为三维断层图像。冷冻电镜主要研究组织、细胞和微生物中的超微结构，它能够提供生理环境下大分子复合物纳米、亚纳米甚至近原子尺度的原位结构信息以及其与其它大分子的相互作用信息。冷冻电镜技术的独特优势：更接近天然状态，不需要蛋白质结晶。冷冻透射电子显微镜技术应用

冷冻电子显微技术的发展与完善经历了复杂而艰辛的探索，下面，我们将深入解析冷冻电子显微镜的工作原理、流程与仪器结构，揭开它的庐山真面目。样品制备：样品快速冷冻技术：样品的原位冷冻固定处理是低温电子显微镜标本制备的开始。冷冻电镜采用的快速冷冻技术关键在于“快速”。这是由于：采用常规冷冻手段，水分子会在氢键作用下形成冰晶，一来会改变样品结构，二来在成像过程中，冰晶体会产生强烈的电子衍射掩盖样品信号。而当冷冻速率足够快时，水分子在形成晶体之前就会凝固成无定形的玻璃态冰，具有非晶态特性，保证了在电子束探测成像的过程中不会对样品成像造成干扰。冷冻固定时，样品首先放置在由液氮冷却的容器中，随后被快速浸入液态乙烷中。采用液态乙烷作为冷冻剂的目的是为了使冷冻速率足够快，在冷冻过程中，样品将以每秒104至106K的速度被快速冷却。生物样品中的水被玻璃化冷冻后，样品结构就得到了保持和固定，同时玻璃化冰也不会在真空环境中挥发，在一定程度上保护了样品免受电子辐射的损伤。合肥冷冻电镜单颗粒技术服务中心冷冻电镜技术用于生物样品三维结构解析，包含单颗粒分析、微晶电子衍射和冷冻电子断层扫描3种技术。

冷冻电镜技术是在20世纪70年代提出的，早在20世纪70年代科学家们就利用冷冻电镜研究病毒分子的结构，头次提出了冷冻电镜技术的原理、方法以及流程的概念。冷冻电镜的发展：冷冻电镜到底是什么?从上世纪70年代兴起至今，冷冻电子显微技术(cryo-EM)已经跨越了40多年的发展历史，经历了冷冻制样、单颗粒图像分析和三维重构算法等关键性技术的突破。通俗而言，冷冻电镜就是在传统透射电子显微镜之上，加上了低温传输系统和冷冻防污染系统。

冷冻电镜技术测定结构的几种方法：X射线晶体学、NMR、和冷冻电镜技术各有优缺点，将这几种方法结合共同研究结构与功能将使结构生物学家对所研究的分子有更为全部的理解，而这些信息是单用任何一个方法所无法获得的。将X射线晶体模型与经电镜获得的密度图重合可以对电镜三维重构的结构作更详尽的解释，例如将牛的水通道（AQP1,与人的有90%同源性）的高分辨率的晶体结构与先前用冷冻电镜技术重构出来的人的中等分辨率水通道的三维结构进行比较，可以进一步确定冷冻电镜获得的中等分辨率的结构，同时也显示出了冷冻电镜技术的优势和局限性。另一方面，较低分辨率的电镜三维重构模型可以用来解释病毒或大分子的晶体结构。而且，将X射线晶体的精细结构与冷冻电镜的重构模型结合构建生物大分子复合物在发挥功生物学功能过程中出现的构像变化模型。这很大程度增加了我们对于复杂分子的活动机制的理解。电子显微技术，成像技术，计算机技术，生物信息技术等不同学科的结合，将为我们提供研究生命现象与本质的强有力的手段。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。

冷冻电镜技术中的电子断层扫描技术与单颗粒分析法的比较：单颗粒分析法：它的优点：解析生物大分子的理论分辨率可达原子级；样品受总辐射值小；对称颗粒的解析分辨率更高；分子量越大，结果越好；电子断层扫描技术：优点：简单直接；对样品的要求较低；常用于对细胞或者生物组织结构的三维重构；但是，对同一样品位置多次拍照时，电子束对样品的辐照损伤就会成为了比较严重的问题；当样品旋转角度受到电子束透过样品厚度能力的限制。冷冻电子显微技术学解析生物大分子及细胞结构的中心是透射电子显微镜成像。湖州低温透射电镜技术服务中心

基于结构的药物设计已经逐渐成为药物开发设计的主流，与此同时冷冻电镜技术也在蓬勃发展。冷冻透射电子显微镜技术应用

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。冷冻透射电子显微镜技术应用