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來源: 發(fā)布時間:2023年01月29日

冷凍電鏡技術(shù)是什么呢?冷凍電鏡用于生物樣品三維結(jié)構(gòu)解析,包含單顆粒分析、微晶電子衍射和冷凍電子斷層掃描3種技術(shù)。冷凍電鏡單顆粒分析技術(shù)(cryo-EMSPA)是一種以單顆粒形式分析生物分子組裝的新方法,通過將負(fù)染電鏡篩選獲得的合適濃度的生物分子樣品快速冷凍,使生物大分子以近天然狀態(tài)存在于無定形冰中,然后進(jìn)行冷凍樣品的篩選、數(shù)據(jù)收集和三維結(jié)構(gòu)解析,從而獲得高分辨率的生物分子結(jié)構(gòu)。冷凍電鏡單顆粒分析技術(shù)能夠從分子層面進(jìn)行詳細(xì)的研究,解析基于結(jié)構(gòu)的藥物研發(fā)的分子基礎(chǔ),而冷凍電子斷層掃描能夠從亞細(xì)胞水平觀察目標(biāo)分子在原位細(xì)胞環(huán)境中的作用位點和作用機制,相信在不久的將來能夠用于進(jìn)一步確認(rèn)基于結(jié)構(gòu)的藥物研究的可靠性。微晶電子衍射不只能夠進(jìn)行小分子微晶結(jié)構(gòu)解析,也可與現(xiàn)有技術(shù)互補,進(jìn)行生物大分子及其復(fù)合物的微晶結(jié)構(gòu)解析。冷凍電鏡技術(shù)之冷凍透射電鏡通過對樣品的冷凍,降低電子束對樣品的損傷,從而得到更加真實的樣品形貌。常州TEM技術(shù)平臺

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冷凍電鏡技術(shù)工作流程:首先是樣品制備。高純度、高濃度的蛋白樣品溶液被滴在一個特制的樣品載網(wǎng)上面。載網(wǎng)由一張布滿小孔的超薄非晶碳薄膜和金屬支撐框架組成,在表面張力的作用下,微孔上會形成一層跨孔的薄水膜。將多余溶液吸走后,把載有蛋白溶液超薄膜的載網(wǎng)迅速投入到液態(tài)乙烷冷凍劑中使其快速冷凍,從而使蛋白質(zhì)分散固定在玻璃態(tài)的冰膜中。然后電鏡圖像采集。選擇較有可能產(chǎn)生較佳圖像的較佳顆粒密度和玻璃態(tài)冰厚度的樣品。常州TEM技術(shù)平臺冷凍電鏡技術(shù)中的單顆粒分析法的研究對象可以是具有某種對稱性的顆粒,也可不具有任何對稱性的蛋白分子。

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冷凍電鏡技術(shù)的原理:冷凍電子顯微學(xué)解析生物大分子及細(xì)胞結(jié)構(gòu)的中心是透射電鏡成像,其基本過程包括樣品制備、透射電鏡成像、圖像處理及結(jié)構(gòu)解析等幾個基本步驟。在透射電鏡成像中,電子槍產(chǎn)生的電子在高壓電場中被加速至亞光速并在高真空的顯微鏡內(nèi)部運動,根據(jù)高速運動的電子在磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原理,透射電鏡中的一系列電磁透鏡對電子進(jìn)行匯聚,并對穿透樣品過程中與樣品發(fā)生相互作用的電子進(jìn)行聚焦成像以及放大,Z后在記錄介質(zhì)上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(jìn)行處理分析即可獲得樣品的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

冷凍電子顯微鏡技術(shù)步驟之樣品制備:用于冷凍電鏡研究的生物樣品必須非常純凈。生物樣品是在高真空的條件下成像的,所以樣品的制備既要能夠保持本身的結(jié)構(gòu)又能抗脫水、電子輻射。現(xiàn)在普遍采用的方法是通過快速冷凍使含水樣品中的水處于玻璃態(tài),也就是在親水的支持膜上將含水樣品包埋在一層較樣品略高的薄冰內(nèi)。冰的結(jié)構(gòu)多種多樣,包括六角形冰、立方體冰等,其物理狀態(tài)與冷凍速率有關(guān)。若要形成玻璃態(tài)(即無定形態(tài))的冰,需要冷凍速率達(dá)到每秒鐘104攝氏度。此時,冰的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)各向同性,不會因成像角度不同而導(dǎo)致圖像產(chǎn)生偏差。該方法有兩個步驟:一是將樣品在載網(wǎng)上形成一薄層水膜:二是將第步獲得的含水薄膜樣品快速冷凍。在多數(shù)情況下,用手工將載網(wǎng)迅速浸入液氮內(nèi)可使水冷凍成為玻璃態(tài)。其優(yōu)點在于將樣品保持在接近生活狀態(tài),不會因脫水而變形,同時可以減少輻射損傷。冷凍電子顯微鏡技術(shù)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。

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冷凍電鏡技術(shù)測定結(jié)構(gòu)的幾種方法:X射線晶體學(xué)、NMR、和冷凍電鏡技術(shù)各有優(yōu)缺點,將這幾種方法結(jié)合共同研究結(jié)構(gòu)與功能將使結(jié)構(gòu)生物學(xué)家對所研究的分子有更為全部的理解,而這些信息是單用任何一個方法所無法獲得的。將X射線晶體模型與經(jīng)電鏡獲得的密度圖重合可以對電鏡三維重構(gòu)的結(jié)構(gòu)作更詳盡的解釋,例如將牛的水通道(AQP1,與人的有90%同源性)的高分辨率的晶體結(jié)構(gòu)與先前用冷凍電鏡技術(shù)重構(gòu)出來的人的中等分辨率水通道的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,可以進(jìn)一步確定冷凍電鏡獲得的中等分辨率的結(jié)構(gòu),同時也顯示出了冷凍電鏡技術(shù)的優(yōu)勢和局限性。另一方面,較低分辨率的電鏡三維重構(gòu)模型可以用來解釋病毒或大分子的晶體結(jié)構(gòu)。而且,將X射線晶體的精細(xì)結(jié)構(gòu)與冷凍電鏡的重構(gòu)模型結(jié)合構(gòu)建生物大分子復(fù)合物在發(fā)揮功生物學(xué)功能過程中出現(xiàn)的構(gòu)像變化模型。這很大程度增加了我們對于復(fù)雜分子的活動機制的理解。電子顯微技術(shù),成像技術(shù),計算機技術(shù),生物信息技術(shù)等不同學(xué)科的結(jié)合,將為我們提供研究生命現(xiàn)象與本質(zhì)的強有力的手段。冷凍電鏡技術(shù)主要研究組織、細(xì)胞和微生物中的超微結(jié)構(gòu)。常州TEM技術(shù)平臺

基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計已經(jīng)逐漸成為藥物開發(fā)設(shè)計的主流,與此同時冷凍電鏡技術(shù)也在蓬勃發(fā)展。常州TEM技術(shù)平臺

冷凍電鏡技術(shù)是在20世紀(jì)70年代提出的,早在20世紀(jì)70年代科學(xué)家們就利用冷凍電鏡研究病毒分子的結(jié)構(gòu),頭次提出了冷凍電鏡技術(shù)的原理、方法以及流程的概念。冷凍電鏡的發(fā)展:冷凍電鏡到底是什么?從上世紀(jì)70年代興起至今,冷凍電子顯微技術(shù)(cryo-EM)已經(jīng)跨越了40多年的發(fā)展歷史,經(jīng)歷了冷凍制樣、單顆粒圖像分析和三維重構(gòu)算法等關(guān)鍵性技術(shù)的突破。通俗而言,冷凍電鏡就是在傳統(tǒng)透射電子顯微鏡之上,加上了低溫傳輸系統(tǒng)和冷凍防污染系統(tǒng)。常州TEM技術(shù)平臺

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