上海泛科向你介紹低溫電子顯微鏡的技術(shù)

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低溫電子顯微鏡（cryo-EM）雖然是結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究中的重要工具，但其潛力還未充分發(fā)揮出來。近期的技術(shù)進(jìn)步大大提高了cryo-EM的分辨率，正在重振這一領(lǐng)域。

在單粒子cryo-EM實驗中，大分子集合體被冷凍在一層薄薄的冰中，并用電子顯微鏡成像。單個集合體的數(shù)千至數(shù)百萬幅圖像必須經(jīng)過計算機比對和合并，以獲得一個三維結(jié)構(gòu)。

與X射線晶體衍射相比，cryo-EM的一個明顯優(yōu)勢就是不需要結(jié)晶，這大大拓寬了其研究領(lǐng)域，使生物大分子及其復(fù)合物的構(gòu)象研究成為可能。運用這種方法，一些生物樣品如病毒和大腸桿菌70S核糖體的三維重構(gòu)圖已經(jīng)得到，但分辨率不是很高。

盡管人們早已認(rèn)識到，cryo-EM有潛力達(dá)到原子級別的分辨率，但目前仍存在一些技術(shù)限制。它們包括難以產(chǎn)生足夠量的樣品，結(jié)構(gòu)異質(zhì)性，輻射損傷，電子束誘導(dǎo)的樣品移動以及相機效率低。

不久之前，cryo-EM的用戶只有兩種選擇來捕獲電子顯微鏡的圖像：低效的數(shù)字CCD照相機或不方便的照相膠卷。而直接檢測電子的新型照相機實現(xiàn)了更快速、更的圖像采集，解決了上述的一些限制。這些照相機記錄了樣品暴露于電子束過程中的一段視頻，可通過幀同步進(jìn)行校正。

2013年發(fā)表的兩篇文章使用了這一策略。美國加州大學(xué)舊金山分校的研究人員利用一種新開發(fā)的單電子計數(shù)探測器，證實了電子束誘導(dǎo)的移動會大幅降低分辨率，并且，他們發(fā)現(xiàn)，快速讀取與幾乎無噪音的電子計數(shù)的組合使圖像模糊得以校正，將圖像信息恢復(fù)到高分辨率。這種方法大大提高了cryo-EM的圖像質(zhì)量和數(shù)據(jù)采集效率，實現(xiàn)了接近原子的分辨率。

英國醫(yī)學(xué)研究委員會的研究人員也評估了新一代的直接電子探測器在cryo-EM結(jié)構(gòu)測定上的潛力。利用一種新開發(fā)的statistical movie processing方法來補償電子束誘導(dǎo)的移動，他們發(fā)現(xiàn)核糖體結(jié)構(gòu)可達(dá)到接近原子的分辨率，而粒子比之前少了兩個數(shù)量級。

結(jié)合快速改進(jìn)的樣品制備方法、繁重任務(wù)的自動化以及數(shù)據(jù)分析的新算法，單粒子低溫電子顯微鏡有望為大分子集合體帶來新的見解，而這正是結(jié)構(gòu)鑒定上挑戰(zhàn)性的一面。

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