冷凍電鏡技術是在20世紀70年代提出的，早在20世紀70年代科學家們就利用冷凍電鏡研究病毒分子的結構，頭次提出了冷凍電鏡技術的原理、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70年代興起至今，冷凍電子顯微技術(cryo-EM)已經跨越了40多年的發(fā)展歷史，經歷了冷凍制樣、單顆粒圖像分析和三維重構算法等關鍵性技術的突破。通俗而言，冷凍電鏡就是在傳統透射電子顯微鏡之上，加上了低溫傳輸系統和冷凍防污染系統。冷凍電鏡技術中單顆粒分析法優(yōu)點：解析生物大分子的理論分辨率可達原子級。徐州原位冷凍電鏡技術服務

什么是冷凍電鏡技術？冷凍電鏡技術，全稱是冷凍電子顯微鏡技術，是在低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術。冷凍電鏡技術，是一種重要的結構生物學研究方法，它與X射線晶體學、核磁共振一起構成了高分辨率結構生物學研究的基礎。冷凍電鏡技術的研究，主要是冷凍成像和蛋白快速冷凍技術。根據諾貝爾獎評委會的說法，冷凍電鏡技術使生物分子成像，變得更加簡單，把生物化學帶入了一個新紀元。這項技術可以用來確定，溶液中生物分子的高清晰度結構。冷凍電鏡技術其實比較抽象，一直以來它主要的問題是其圖像噪音極高、信號極低，研究的目標是從中提取近原子分辨率的結構信息。可以形象的比喻為在一個機器轟鳴的工廠，監(jiān)測一只螞蟻爬行的聲音。冷凍電鏡的目標，就是要完成這項艱巨的任務。因此，可見這項技術成果的科學價值。徐州原位冷凍電鏡技術服務冷凍電鏡技術中的單顆粒分析法在分析具有同質性結構的樣品時表現出更方便、更優(yōu)異的成像能力。

冷凍電鏡技術是什么呢？冷凍電鏡用于生物樣品三維結構解析，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。冷凍電鏡單顆粒分析技術（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，然后進行冷凍樣品的篩選、數據收集和三維結構解析，從而獲得高分辨率的生物分子結構。冷凍電鏡單顆粒分析技術能夠從分子層面進行詳細的研究，解析基于結構的藥物研發(fā)的分子基礎，而冷凍電子斷層掃描能夠從亞細胞水平觀察目標分子在原位細胞環(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一步確認基于結構的藥物研究的可靠性。微晶電子衍射不只能夠進行小分子微晶結構解析，也可與現有技術互補，進行生物大分子及其復合物的微晶結構解析。

冷凍電鏡技術解析結構主要風險在：A.樣品很不穩(wěn)定，樣品寄送過來的時候，已經降解或者聚集，無法進行后續(xù)處理；B.樣品在冷凍制樣的過程中，可能會被凍碎，從而無法進行后續(xù)處理；C.樣品純度可能很好，但是均一度很差，從而難以獲得樣品的高分辨結構；D.我們關心的區(qū)域可能在整個復合體中有很強的柔性，從而經過二維或者三維平均后，我們關心區(qū)域的分辨率會比較差甚至看不見，達不到我們的預期；E.一些配體，比如藥物前體分子，分子量太小，不一定能在電鏡的密度圖中觀測到；F.對于合適的樣品，我們冷凍制樣需要優(yōu)化的參數有很多，包括樣品濃度的優(yōu)化，blottime的優(yōu)化，溫度的優(yōu)化，grid規(guī)格（銅網或者金網）的優(yōu)化等一系列條件的優(yōu)化。因此冷凍電鏡制樣需要豐富的經驗和充足的機時支持，不同的實驗者，成功率可能差別很大。冷凍電鏡技術中的單顆粒分析法：是針對單個粒子進行重構的技術。

單顆粒冷凍電鏡技術：生物大分子快速冷凍后，在低溫下利用透射電子顯微鏡對結構均一、分散的全同樣品顆粒進行成像，再經圖像處理及重構計算獲得樣品的三維結構。可研究生物大分子在溶液中的結構及構象變化、無需結晶、所需樣品量相對較少，適合于蛋白質、病毒等生物大分子及其復合物的結構生物學研究。樣品制備：可以根據樣品、電鏡載網和其他使用條件，摸索合適的單顆粒樣品制備條件，純化、收集濃度范圍從幾微升50nM至5uM濃度的蛋白溶液來制備單顆粒電鏡樣品。在-196℃時，組織中的生物大分子能夠長期保持穩(wěn)定性、細胞活性及組織微觀結構，同時，在低溫下，生物樣品耐受電子輻照劑量增強，且其在電鏡鏡筒的高真空環(huán)境中脫水變形的問題也得以解決。Vitrobot和EMGP2均能夠提供快速、簡單、可重復的安自動化樣品玻璃化制備過程，其在恒定的物理和機械條件下（如溫度、相對濕度、吸濕條件和冷凍速度）對樣品進行冷凍固定確保生物樣品在低溫狀態(tài)下仍保持天然構象。冷凍電鏡技術具有更接近天然狀態(tài)、適用研究對象普遍等優(yōu)勢。徐州原位冷凍電鏡技術服務

冷凍電鏡技術的獨特優(yōu)勢：適合于研究結構不規(guī)則的大分子復合物，對于分子量的上限沒有限制。徐州原位冷凍電鏡技術服務

冷凍電鏡技術總結：電子斷層成像技術則可用來研究一定厚度的亞細胞器在天然狀態(tài)下的內部結構，由于樣品厚度的限制，能看到500-1000nm左右厚度的結構，的也可以了解整個細胞不同層面的內部結構.盡管，我們能夠預言按目前電子冷凍斷層成像技術的發(fā)展會得到許多更誘人的信息。細胞內存在大量分子機器和生物大分子復合物，并且與單個超分子相比要大，更容易對其進行識別。這樣的事實使斷層技術的目標變得簡單了。在不久的將來關于細胞骨架，核孔復合體和核纖層，囊泡聚集和運輸復合物以及其他一些細胞成分的一些基本問題會得到更清晰的闡釋。這兩種方法都不需要對樣品進行結晶，快速含水冰凍的制樣過程既不復雜，又保存了樣品的瞬時天然結構，有利于對復合物的功能進行研究，圖像自動化篩選過程將是今后提高分辨率的關鍵環(huán)節(jié)。而電子晶體學則對具有對稱結構的樣品進行三維重構具有很大的優(yōu)勢，比如二十面體病毒，螺旋對稱結構等，尤其適合膜蛋白的三維結構，并且是電子顯微術中目前只一能達到原子分辨率水平的方法。徐州原位冷凍電鏡技術服務

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