武汉透射电子显微镜技术特点

冷冻电镜技术近年来获得了迅猛的发展，取得了许多具有重大意义的成果。冷冻电镜将生物分子进行冷冻便可进行高分辨率成像，还具有分辨率高、更接近天然状态、适用研究对象普遍等优势。同时，系统地综述了冷冻电镜技术在科学研究中的应用，并展望冷冻电镜技术未来的发展。冷冻电镜（cryo-electronmicroscopy，cryo-EM）技術，是在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术，即把样品冷冻并保持低温放进显微镜里面，用高度相干的电子作为光源从上面照射，透过样品和附近的冰层，受到散射，再利用探测器和透镜系统把散射信号成像记录下来，较后进行信号处理，得到样品的结构。冷冻电镜技术之冷冻透射电镜通常是在普通透射电镜上加装样品冷冻设备。武汉透射电子显微镜技术特点

单颗粒冷冻电镜技术的图像处理技术：经过多年的发展，目前冷冻电镜的数据处理部分主要包含了以下的流程：(1)衬度传递函数的修正(CTFcorrection)；(2)样品分子投影数据的筛选(particleselection)；(3)二维投影数据的分类和降噪(2Danalysis)；(4)三维模型的重构和优化(3Dreconstructionandrefinement)；(5)多重构象的结构分析(heterogeneityanalysis)；(6)对重建结构分辨率的分析(structureresolutionassessment)；(7)结合生物化学原理和实验数据对三维结构的解读(modelinterpretationandvalidation)。武汉透射电子显微镜技术特点冷冻电镜技术的独特优势：适合于研究结构不规则的大分子复合物，对于分子量的上限没有限制。

冷冻电镜技术原理之电子晶体学：利用电子显微镜对生物大分子在一维、二维以致三维空间形成的高度有序重复排列的结构(晶体)成像或者收集衍射图样，进而解析这些生物大分子的结构，这种方法称为电子晶体学。其适合的样品分子量范围为10~500kD，Zgao分辨率约0.19nm。该方法与X射线晶体学的类似之处在于均需获得高度均一的生物大分子的周期性排列，不同之处是利用电子显微镜除了可以获得晶体的电子衍射外还可以通过获得晶体的图像来进行结构解析。

冷冻电镜技术也正在成为助力医药研发的有力手段。依托对蛋白质结构的理解，科学家正在开发更有效的治Ca药、打菌素、止痛药、麻醉剂等。中国过去10多年里，建成了世界上较大的冷冻电镜设施。中国的科学家，也在冷冻电镜领域取得了很多举世瞩目的成就，引起了世界的普遍关注。比如清华大学的施一公团队，对老年痴呆症相关的重要蛋白质结构进行了解析，对于我们理解它的发病机理甚至开发重要治疗方法有重要意义。他们对剪接体复合体一系列结构的研究帮助我们理解细胞的演化、细胞的基因调控和其他一些相关疾病有着重要意义。2019年，中国科学家利用冷冻电镜技术解析到世界上目前分辨率较高的猪瘟病毒结构，这对我们了解该病毒的发病机理，以及如何更好开发疫苗具有重要意义。主要使用的几种冷冻电子显微学技术结构解析方法包括：电子晶体学、单颗粒重构技术、电子断层扫描等。

冷冻电镜技术揭示生物分子细节：冷冻电镜可以通过揭示细胞里发生的生命过程细节，帮助人们了解很多有意思的生物学现象。比如，我们吃辣椒会觉得辣，是因为辣椒里有一种叫做辣椒素的小分子。辣椒素与位于舌头神经末梢的膜蛋白TPRV1结合，打开膜蛋白上的一个通道，让细胞膜外面的离子向细胞膜内部流动，这样微小的流动产生的电流通过神经纤维较终传递到我们的大脑，让我们感受到辣的感觉。2013年，科学家利用冷冻电镜技术，以近原子分辨率解析了膜蛋白TRPV1的通道结构，以及它与辣椒素相互结合的结构。人们由此了解到，实际上是由于辣椒素结合到4个亚基所组成的通道膜蛋白上把孔道撑开，才使得离子可以穿透。冷冻电镜技术中的单颗粒分析法理论成像分辨率更高。武汉透射电子显微镜技术特点

冷冻电镜技术中的单颗粒分析法：是针对单个粒子进行重构的技术。武汉透射电子显微镜技术特点

冷冻电子显微技术的发展与完善经历了复杂而艰辛的探索，下面，我们将深入解析冷冻电子显微镜的工作原理、流程与仪器结构，揭开它的庐山真面目。样品制备：样品快速冷冻技术：样品的原位冷冻固定处理是低温电子显微镜标本制备的开始。冷冻电镜采用的快速冷冻技术关键在于“快速”。这是由于：采用常规冷冻手段，水分子会在氢键作用下形成冰晶，一来会改变样品结构，二来在成像过程中，冰晶体会产生强烈的电子衍射掩盖样品信号。而当冷冻速率足够快时，水分子在形成晶体之前就会凝固成无定形的玻璃态冰，具有非晶态特性，保证了在电子束探测成像的过程中不会对样品成像造成干扰。冷冻固定时，样品首先放置在由液氮冷却的容器中，随后被快速浸入液态乙烷中。采用液态乙烷作为冷冻剂的目的是为了使冷冻速率足够快，在冷冻过程中，样品将以每秒104至106K的速度被快速冷却。生物样品中的水被玻璃化冷冻后，样品结构就得到了保持和固定，同时玻璃化冰也不会在真空环境中挥发，在一定程度上保护了样品免受电子辐射的损伤。武汉透射电子显微镜技术特点