什么是冷凍電鏡技術(shù)？冷凍電鏡技術(shù)，全稱是冷凍電子顯微鏡技術(shù)，是在低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術(shù)。冷凍電鏡技術(shù)，是一種重要的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究方法，它與X射線晶體學(xué)、核磁共振一起構(gòu)成了高分辨率結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的基礎(chǔ)。冷凍電鏡技術(shù)的研究，主要是冷凍成像和蛋白快速冷凍技術(shù)。根據(jù)諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)的說(shuō)法，冷凍電鏡技術(shù)使生物分子成像，變得更加簡(jiǎn)單，把生物化學(xué)帶入了一個(gè)新紀(jì)元。這項(xiàng)技術(shù)可以用來(lái)確定，溶液中生物分子的高清晰度結(jié)構(gòu)。冷凍電鏡技術(shù)其實(shí)比較抽象，一直以來(lái)它主要的問(wèn)題是其圖像噪音極高、信號(hào)極低，研究的目標(biāo)是從中提取近原子分辨率的結(jié)構(gòu)信息?？梢孕蜗蟮谋扔鳛樵谝粋€(gè)機(jī)器轟鳴的工廠，監(jiān)測(cè)一只螞蟻爬行的聲音。冷凍電鏡的目標(biāo)，就是要完成這項(xiàng)艱巨的任務(wù)。因此，可見這項(xiàng)技術(shù)成果的科學(xué)價(jià)值。冷凍電鏡技術(shù)具有更接近天然狀態(tài)、適用研究對(duì)象普遍等優(yōu)勢(shì)。汕頭低溫透射電鏡技術(shù)平臺(tái)

冷凍電子顯微技術(shù)學(xué)解析生物大分子及細(xì)胞結(jié)構(gòu)的中心是透射電子顯微鏡成像,包括樣品制備、圖像采集、圖像處理及三維重構(gòu)等幾個(gè)基本步驟。三維重構(gòu)：數(shù)據(jù)處理的較終目的是為了獲得生物樣品的三維質(zhì)量密度圖，由二維圖像推知三維結(jié)構(gòu)的方法即三維重構(gòu)。其理論原理是在1968年由DeRosier和Klug提出的中心截面定理:一個(gè)函數(shù)沿某方向投影函數(shù)的傅里葉變換等于此函數(shù)的傅里葉變換通過(guò)原點(diǎn)且垂直于此投影方向的截面函數(shù)。由于樣品性質(zhì)的不同，圖像分析的方法也有差異。黃石Cryo-TEM技術(shù)冷凍電鏡技術(shù)中單顆粒分析法優(yōu)點(diǎn)：樣品受總輻射值?。粚?duì)稱顆粒的解析分辨率更高。

冷凍電子顯微鏡技術(shù)在20世紀(jì)70年代時(shí)提出，經(jīng)過(guò)近10年的努力，在80年代趨于成熟，近年來(lái)已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展的時(shí)期。它的研究對(duì)象非常普遍，包括病毒、蛋白、肌絲、蛋白質(zhì)核昔酸復(fù)合體、亞細(xì)胞器等。一方面，冷凍電微鏡技術(shù)所研究的生物樣品既可以是具有二維晶體結(jié)構(gòu)的，也可以是非晶體的;而且對(duì)于樣品的分子量沒(méi)有限制。因此，很大程度突破了X-射線晶體學(xué)只能研究三維晶體樣品和核磁共振波譜學(xué)只能研究小分子量(小于100KD)樣品的限制。另一方面，生物樣品是通過(guò)快速冷凍的方法進(jìn)行固定的，克了因化服學(xué)固定、染色、金屬鍍膜等過(guò)程對(duì)樣品構(gòu)象的影響，更加接近樣品的生活狀態(tài)。

冷凍電子顯微鏡技術(shù)步驟之圖像采集：冷凍的樣品通過(guò)專門的設(shè)備一冷凍輸送器轉(zhuǎn)移到電鏡的樣品室。在照相之前，必須觀察樣品中的水是否處于玻璃態(tài)，如果不是則應(yīng)重新制備樣品。由于生物樣品對(duì)高能電子的輻射敏感，照相時(shí)必須使用較小曝光技術(shù)。經(jīng)過(guò)透射電子顯微鏡中一系列復(fù)雜的過(guò)程，較終在記錄介質(zhì)上會(huì)形成樣品放大幾千倍至幾十萬(wàn)倍的圖像。利用計(jì)算機(jī)對(duì)這些放大的圖像進(jìn)行處理分析即可獲得樣品的精細(xì)結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，一個(gè)技術(shù)上的重大突破是高分辨率圖像采集設(shè)備的開發(fā)與應(yīng)用?；诨パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)開發(fā)的直接探測(cè)電子成像的裝置使電子顯微放大圖像的信噪比相對(duì)過(guò)去所使用的底片或電荷耦合元件(CCD)有了很大提高、進(jìn)而提高了成像的質(zhì)量。冷凍電子顯微鏡技術(shù)還將普遍應(yīng)用于細(xì)胞組織的超微結(jié)構(gòu)解析，對(duì)解開生命活動(dòng)的規(guī)律和機(jī)制等產(chǎn)生更大影響。

冷凍電鏡技術(shù)未來(lái)之路在何方?除了蛋白等生物大分子外，生物樣品還有很重要的一面是細(xì)胞和組織。即使是目前有很多重要的蛋白結(jié)構(gòu)都得到了埃米級(jí)別的解析，但由于它們都是純化出來(lái)的，已經(jīng)脫離了原來(lái)位置，就如同一片樹葉脫離了大樹，研究的再深刻，目前也只是一葉遮目，不要說(shuō)推測(cè)這片樹葉在森林里的位置，即使是在哪顆特定大樹上的生長(zhǎng)部位和結(jié)構(gòu)都很難說(shuō)。因此解析細(xì)胞或組織這樣大尺度的高分辨精細(xì)結(jié)構(gòu)具有更普遍的生物學(xué)意義。冷凍電鏡技術(shù)中的單顆粒分析法理論成像分辨率更高。南京冷凍電鏡技術(shù)服務(wù)中心

冷凍電鏡技術(shù)之冷凍透射電鏡優(yōu)點(diǎn)：加速電壓高，電子能穿透厚樣品。汕頭低溫透射電鏡技術(shù)平臺(tái)

冷凍電子顯微鏡技術(shù)步驟之樣品制備：用于冷凍電鏡研究的生物樣品必須非常純凈。生物樣品是在高真空的條件下成像的，所以樣品的制備既要能夠保持本身的結(jié)構(gòu)又能抗脫水、電子輻射?，F(xiàn)在普遍采用的方法是通過(guò)快速冷凍使含水樣品中的水處于玻璃態(tài)，也就是在親水的支持膜上將含水樣品包埋在一層較樣品略高的薄冰內(nèi)。冰的結(jié)構(gòu)多種多樣，包括六角形冰、立方體冰等，其物理狀態(tài)與冷凍速率有關(guān)。若要形成玻璃態(tài)(即無(wú)定形態(tài))的冰，需要冷凍速率達(dá)到每秒鐘104攝氏度。此時(shí)，冰的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)各向同性，不會(huì)因成像角度不同而導(dǎo)致圖像產(chǎn)生偏差。該方法有兩個(gè)步驟:一是將樣品在載網(wǎng)上形成一薄層水膜:二是將第步獲得的含水薄膜樣品快速冷凍。在多數(shù)情況下，用手工將載網(wǎng)迅速浸入液氮內(nèi)可使水冷凍成為玻璃態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)在于將樣品保持在接近生活狀態(tài)，不會(huì)因脫水而變形，同時(shí)可以減少輻射損傷。汕頭低溫透射電鏡技術(shù)平臺(tái)

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