冷凍電鏡技術近年來獲得了迅猛的發展，取得了許多具有重大意義的成果。冷凍電鏡將生物分子進行冷凍便可進行高分辨率成像，還具有分辨率高、更接近天然狀態、適用研究對象普遍等優勢。同時，系統地綜述了冷凍電鏡技術在科學研究中的應用，并展望冷凍電鏡技術未來的發展。冷凍電鏡（cryo-electronmicroscopy，cryo-EM）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，即把樣品冷凍并保持低溫放進顯微鏡里面，用高度相干的電子作為光源從上面照射，透過樣品和附近的冰層，受到散射，再利用探測器和透鏡系統把散射信號成像記錄下來，較后進行信號處理，得到樣品的結構。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。徐州低溫冷凍透射電鏡技術服務中心

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。徐州低溫冷凍透射電鏡技術服務中心冷凍電鏡技術中單顆粒分析法優點：樣品受總輻射值小；對稱顆粒的解析分辨率更高。

冷凍電鏡技術測定結構的幾種方法：X射線晶體學、NMR、和冷凍電鏡技術各有優缺點，將這幾種方法結合共同研究結構與功能將使結構生物學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射線晶體模型與經電鏡獲得的密度圖重合可以對電鏡三維重構的結構作更詳盡的解釋，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構與先前用冷凍電鏡技術重構出來的人的中等分辨率水通道的三維結構進行比較，可以進一步確定冷凍電鏡獲得的中等分辨率的結構，同時也顯示出了冷凍電鏡技術的優勢和局限性。另一方面，較低分辨率的電鏡三維重構模型可以用來解釋病毒或大分子的晶體結構。而且，將X射線晶體的精細結構與冷凍電鏡的重構模型結合構建生物大分子復合物在發揮功生物學功能過程中出現的構像變化模型。這很大程度增加了我們對于復雜分子的活動機制的理解。電子顯微技術，成像技術，計算機技術，生物信息技術等不同學科的結合，將為我們提供研究生命現象與本質的強有力的手段。

冷凍電鏡技術原理之單顆粒技術：對分散分布的生物大分子分別成像，基于分子結構同一性的假設，對多個圖像進行統計分析，并通過對正、加和平均等圖像操作手段提高信噪比，進一步確認二維圖像之間的空間投影關系后經過三維重構獲得生物大分子的三維結構方法。其適合的樣品分子量范圍為80~50MD，Zgao分辨率約0.3nm。利用單顆粒技術獲得三維重構的方法主要包括等價線方法、隨機圓錐重構法、隨機初始模型迭代收斂重構等方法，其基本目標是獲得二維圖像之間正確的空間投影關系，從而進行三維重構。冷凍電鏡技術助力快速、高效的新藥研發。

冷凍電鏡技術工作流程：做好前面的工作就需要設定較佳的參數（比如：欠焦值、放大倍數和電子劑量等），記錄這些樣品區域的大量圖像，用手工或半自動程序框取那些離散的分子形成的投影圖。然后就是三維結構搭建。由于電子可能對非常敏感的樣品造成輻射損傷，所以單顆粒冷凍電鏡只能采用非常低的電子量，而這種電鏡2D投影圖像有非常大的背景噪聲。為提高圖像分辨率，研究人員首先需要提出一個初始的3D模型，然后對捕獲的單顆粒2D圖像進行分選。冷凍電鏡技術中單顆粒分析法優點：解析生物大分子的理論分辨率可達原子級。徐州低溫冷凍透射電鏡技術服務中心

雖然冷凍電鏡技術屬于前沿技術，但目前已經有利用冷凍電鏡基于結構研發的藥物進入臨床試驗。徐州低溫冷凍透射電鏡技術服務中心

單顆粒冷凍電鏡技術二維圖像分析——顆粒圖像的匹配與分類：二維顆粒圖像的分類是獲取三維結構過程的第一步。對二維圖像的分析包括兩部分：顆粒圖像的匹配和顆粒圖像的分類。匹配的過程通常會對顆粒圖像應用一些變換操作，通過關聯函數去判斷不同顆粒圖像之間的相似程度。圖像匹配的算法主要分為兩種，即不依賴模型的方法和基于模型的方法，取決于是否存在利用樣本先驗信息得到的模板。隨著圖像匹配的完成，顆粒圖像需要進行分類。主要利用多元統計分析和主成分分析方法等算法，其他流行的二維顆粒分類技術還有神經網絡分類，將圖像在二維空間自組織映射(self-organisingmapping，SOM)再進行分類和排序。二維圖像分析的目的是，首先通過圖像匹配消除旋轉和平移的誤差，利用類內緊致、類間離散的原則進行圖像分類，較終可以對類內顆粒圖像進行平均，提高信噪比，從而實現對高分辨率三維結構的構建。徐州低溫冷凍透射電鏡技術服務中心