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冷冻电镜

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冷冻电镜是个什么技术?

在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术,就叫做冷冻电子显微镜技术,简称冷冻电镜(cryo-electron microscopy, cryo-EM)。

冷冻电镜是重要的结构生物学研究方法,它与另外两种技术:X射线晶体学(X-ray crystallography)和核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)一起构成了高分辨率结构生物学研究的基础,在获得生物大分子的结构并揭示其功能方面极为重要。

冷冻电镜技术是怎么形成的?

冷冻电镜并不是这两年才建立的。在蛋白质X射线晶体学诞生大约10多年以后的1968年, 作为里程碑式的电镜三维重构方法,同样在剑桥MRC分子生物学实验室诞生,Aron Klug教授因此获得了1982年的诺贝尔化学奖。另一些突破性的技术在上世纪70年代和80年代中叶诞生,主要是冷冻成像和蛋白快速冷冻技术。

快速冷冻可以使蛋白质和所在的水溶液环境迅速从溶液态转变为玻璃态,玻璃态能使蛋白质结构保持其天然结构状态,如果以缓慢温和的方式冷冻,这个过程会形成晶体冰,生物分子的结构将被晶格力彻底损坏。

低剂量冷冻成像能够保存样品的高分辨率结构信息,确保了从电镜图形中解析蛋白质结构的可能性。与此同时,2017诺贝尔化学奖得主Joachim Frank等,则在电镜图像处理算法方面奠定和发展了这项技术的理论基础。由此冷冻电镜的雏形基本建立,总的思路为:样品冷冻(保持蛋白溶液态结构)——冷冻成像(获取二维投影图像)——三维重构(从二维图像通过计算得到三维密度图)。

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