什么是冷冻电镜？

冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 指的是一系列用于分析在专门设计的透射电子显微镜（cryo-TEMs）中低温冷冻样品的技术。近年来，包括改进的样品制备工具、探测器以及分析计算机算法等进步，甚至使得以原子分辨率确定三维冷冻电镜结构成为可能。

冷冻电镜是如何工作的？

当样品被快速冷冻（玻璃化）时，水溶液不会形成晶体冰，而是变成无定形固体。这减少了冷冻过程对敏感生物样品造成的损伤，从而“捕捉”到溶液中标本的快照。

总体来说，冷冻电镜技术然后以高分辨率从不同角度对这些样品进行成像，并将二维快照数字化重组为三维结构。冷冻电镜能够解析具有挑战性的蛋白质及其他大分子结构，同时为这些蛋白质的功能提供独特的见解。虽然冷冻电子显微镜曾被认为是只有少数专家使用的专业工具，但如今其操作变得越来越简单、价格更为亲民，并且对更广泛的科学群体开放。

冷冻电镜的优势

冷冻电子显微镜在结构分析领域中，与X射线衍射和核磁共振等其他流行技术形成互补。与其他技术相比，冷冻电镜不需要对样品进行结晶，这一直是分析大型复合物和膜蛋白时的一大障碍。通常，冷冻电镜只要求样品能够悬浮在水性环境中即可。

此外，其他需要复杂样品制备的技术总是存在微妙破坏生物体内真实结构的风险。而通过玻璃化处理，这一风险大大降低，从而获得生理相关性的观察结果。

冷冻电镜技术

虽然“冷冻电镜”有时与最流行的单颗粒分析法同义使用，但实际上，在冷冻透射电子显微镜中可以进行一系列分析方法。我们将在此做简要介绍；更多详细信息可在我们的网站上获取。

单颗粒分析

在单颗粒分析中，首先将纯化的蛋白质或蛋白复合物进行快速冷冻，以保持其天然结构。随后利用透射电子显微镜（TEM）收集大量样品的二维快照。由于蛋白质在冰中呈随机取向，这些图像展示了样品在不同角度下的形态，并可重新组合成高分辨率的三维重构图像。

冷冻断层扫描技术

冷冻电子断层扫描（cryo-ET），最常用于整体细胞，可在生理环境下以纳米级分辨率实现细胞器和蛋白复合物的三维可视化。这一过程通过聚焦离子束（FIB）对已玻璃化的细胞进行切割，在细胞上打开观察窗口。然后对这一变薄后的细胞样本拍摄一系列二维图像，再将其重建为三维数据集。这种高分辨率的细胞内部三维图像能够为我们带来关于细胞功能的新见解，并揭示原生蛋白复合物的排列与结构。

微晶电子衍射

微晶电子衍射（MicroED）是一种类似于X射线晶体学（XRD）的衍射技术，但它利用的是电子而非X射线。由于电子具有更短的波长并且与样品的相互作用更强，可以从单个纳米晶体（尺寸小于200纳米）中提取原子级细节，即使是在异质混合物中也能实现。这使得分析那些对于XRD和其他晶体学方法来说过小的晶体成为可能。数据采集仅需几分钟即可完成，并且可以以原子分辨率确定三维结构。

结论

我们希望这份简要介绍能够让您初步了解冷冻电镜的强大功能和广阔前景。有了这项革命性技术，结构生物学家可以分析蛋白质所有复杂的构象、结构及其修饰形式，甚至能够在同一样品中观察到多种蛋白质构象或异质复合物。

如果您想进一步了解冷冻电镜，以及它如何革新结构生物学、药物研发等领域，请阅读我们“原子分辨生活”博客中的其他科普文章：

– 用电子看世界：电子显微镜的结构解析
– 开放获取：细胞冷冻电镜断层成像教育资源
– 冷冻电镜样品制备：犹他大学核心实验室主任问答专访

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