冷凍電鏡技術基本原理之電鏡三維重構理論:D.DeRosier和A.Klug提出三維重構理論是借助一系列沿不同方向投影的電子顯微像來重構被測物體的立體構型,利用計算機數(shù)字圖像處理技術進行電子顯微像三維重構測定生物大分子結構的概念和方法。透射電子顯微鏡成像過程中,電子束穿透樣品,將樣品的三維電勢密度分布函數(shù)沿著電子束的傳播方向投影至與傳播方向垂直的二維平面上。運用中心截面定理,從而可以通過三維物體不同角度的二維投影在計算機內進行三維重構來解析獲得物體的三維結構。冷凍電鏡技術中單顆粒分析法優(yōu)點:解析生物大分子的理論分辨率可達原子級。汕頭低溫透射電鏡技術方案
冷凍電鏡技術中的單顆粒分析法(Singleparticleanalysis,SPA):單顆粒技術獲得投影的具體方法:制備很多具有同樣結構的大分子樣品,將其進行分散冷凍后進行隨機的投影拍照,再通過計算模擬測定角度,對具有相同角度的粒子進行組合,突出其中更特殊、更容易解釋的特征。單顆粒冷凍電鏡是針對單個粒子進行重構的技術,但我們的研究對象往往是多構象或結構異質的蛋白,顆粒之間存在細微差別,這是一些蛋白質無法獲得高分辨結構的重要原因之一。對于結構異質性樣品的分析,我們需要首先將樣品分成幾個同質的子集,然后分別進行三維重建。由于單顆粒分析法理論成像分辨率更高,尤其在分析具有同質性結構的樣品時表現(xiàn)出更方便、更優(yōu)異的成像能力,因此得到了更普遍的應用。單顆粒分析法的研究對象可以是具有某種對稱性的顆粒,也可是不具有任何對稱性的蛋白分子或復合體,尤其是針對核糖體的表征。十堰冷凍透射電鏡技術冷凍電鏡技術中單顆粒分析法優(yōu)點:樣品受總輻射值??;對稱顆粒的解析分辨率更高。
冷凍電子顯微鏡技術步驟之圖像采集:冷凍的樣品通過專門的設備一冷凍輸送器轉移到電鏡的樣品室。在照相之前,必須觀察樣品中的水是否處于玻璃態(tài),如果不是則應重新制備樣品。由于生物樣品對高能電子的輻射敏感,照相時必須使用較小曝光技術。經(jīng)過透射電子顯微鏡中一系列復雜的過程,較終在記錄介質上會形成樣品放大幾千倍至幾十萬倍的圖像。利用計算機對這些放大的圖像進行處理分析即可獲得樣品的精細結構。近年來,一個技術上的重大突破是高分辨率圖像采集設備的開發(fā)與應用?;诨パa金屬氧化物半導體(CMOS)技術開發(fā)的直接探測電子成像的裝置使電子顯微放大圖像的信噪比相對過去所使用的底片或電荷耦合元件(CCD)有了很大提高、進而提高了成像的質量。
冷凍電鏡技術未來之路在何方?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胞和組織。即使是目前有很多重要的蛋白結構都得到了埃米級別的解析,但由于它們都是純化出來的,已經(jīng)脫離了原來位置,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,不要說推測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部位和結構都很難說。因此解析細胞或組織這樣大尺度的高分辨精細結構具有更普遍的生物學意義?;诮Y構的藥物設計已經(jīng)逐漸成為藥物開發(fā)設計的主流,與此同時冷凍電鏡技術也在蓬勃發(fā)展。
冷凍電鏡技術原理之單顆粒技術:對分散分布的生物大分子分別成像,基于分子結構同一性的假設,對多個圖像進行統(tǒng)計分析,并通過對正、加和平均等圖像操作手段提高信噪比,進一步確認二維圖像之間的空間投影關系后經(jīng)過三維重構獲得生物大分子的三維結構方法。其適合的樣品分子量范圍為80~50MD,Zgao分辨率約0.3nm。利用單顆粒技術獲得三維重構的方法主要包括等價線方法、隨機圓錐重構法、隨機初始模型迭代收斂重構等方法,其基本目標是獲得二維圖像之間正確的空間投影關系,從而進行三維重構。冷凍電鏡技術與X射線晶體學、核磁共振一起構成了高分辨率結構生物學研究的基礎。東莞透射電子顯微鏡技術平臺
冷凍電子顯微鏡技術具有研究對象普遍、樣品需求量少、更接近生理狀態(tài)等獨特優(yōu)勢。汕頭低溫透射電鏡技術方案
冷凍電鏡技術助力快速、高效的新藥研發(fā):分子生物學興起后,基于靶點的藥物發(fā)現(xiàn)逐漸成為主流新藥研發(fā)模式。通常通過結構生物學方法獲得靶點及靶點-受體相互作用的結合位點。將靶點結構和結合位點作為模型進行虛擬篩選,并通過高通量的方法獲得可能結合的潛在分子,并進一步通過結構生物學方法直接解析靶點-潛在分子的高分辨率結構,進行潛在分子的確認。冷凍電鏡“分辨率改變”使其成為獲得優(yōu)于3?結構的常規(guī)技術。高分辨率的結構能夠清晰地描繪靶點與潛在分子相互作用的信息,包括結合表位、配體手性等,為潛在化合物的結構改造提供了指導。新的疾病或者突發(fā)流行病需要進行從頭藥物設計研究,這些應對性的藥物研發(fā)需要有大量基礎研究的積累。冷凍電鏡技術既完美契合了結構生物學的基礎研究,又能夠助力加速基于結構的藥物研發(fā)。汕頭低溫透射電鏡技術方案
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