冷凍電鏡技術(shù)近年來獲得了迅猛的發(fā)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(jìn)行冷凍便可進(jìn)行高分辨率成像，還具有分辨率高、更接近天然狀態(tài)、適用研究對象普遍等優(yōu)勢。同時，系統(tǒng)地綜述了冷凍電鏡技術(shù)在科學(xué)研究中的應(yīng)用，并展望冷凍電鏡技術(shù)未來的發(fā)展。冷凍電鏡（cryo-electronmicroscopy，cryo-EM）技術(shù)，是在低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術(shù)，即把樣品冷凍并保持低溫放進(jìn)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(tǒng)把散射信號成像記錄下來，較后進(jìn)行信號處理，得到樣品的結(jié)構(gòu)。冷凍電鏡技術(shù)的研究，主要是冷凍成像和蛋白快速冷凍技術(shù)。徐州低溫冷凍透射電鏡技術(shù)服務(wù)中心

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(diǎn)和作用機(jī)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(bǔ)，進(jìn)行生物大分子及其復(fù)合物的微晶結(jié)構(gòu)解析。徐州低溫冷凍透射電鏡技術(shù)服務(wù)中心冷凍電鏡技術(shù)中單顆粒分析法優(yōu)點(diǎn)：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(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(diǎn)，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(jī)制的理解。電子顯微技術(shù)，成像技術(shù)，計算機(jī)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(qiáng)有力的手段。

冷凍電鏡技術(shù)原理之單顆粒技術(shù)：對分散分布的生物大分子分別成像，基于分子結(jié)構(gòu)同一性的假設(shè)，對多個圖像進(jìn)行統(tǒng)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(jìn)一步確認(rèn)二維圖像之間的空間投影關(guān)系后經(jīng)過三維重構(gòu)獲得生物大分子的三維結(jié)構(gòu)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(shù)獲得三維重構(gòu)的方法主要包括等價線方法、隨機(jī)圓錐重構(gòu)法、隨機(jī)初始模型迭代收斂重構(gòu)等方法，其基本目標(biāo)是獲得二維圖像之間正確的空間投影關(guān)系，從而進(jìn)行三維重構(gòu)。冷凍電鏡技術(shù)助力快速、高效的新藥研發(fā)。

冷凍電鏡技術(shù)工作流程：做好前面的工作就需要設(shè)定較佳的參數(shù)（比如：欠焦值、放大倍數(shù)和電子劑量等），記錄這些樣品區(qū)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(jié)構(gòu)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(jìn)行分選。冷凍電鏡技術(shù)中單顆粒分析法優(yōu)點(diǎn)：解析生物大分子的理論分辨率可達(dá)原子級。徐州低溫冷凍透射電鏡技術(shù)服務(wù)中心

雖然冷凍電鏡技術(shù)屬于前沿技術(shù)，但目前已經(jīng)有利用冷凍電鏡基于結(jié)構(gòu)研發(fā)的藥物進(jìn)入臨床試驗。徐州低溫冷凍透射電鏡技術(shù)服務(wù)中心

單顆粒冷凍電鏡技術(shù)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(jié)構(gòu)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(yīng)用一些變換操作，通過關(guān)聯(lián)函數(shù)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(jìn)行分類。主要利用多元統(tǒng)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(shù)還有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類，將圖像在二維空間自組織映射(self-organisingmapping，SOM)再進(jìn)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(zhuǎn)和平移的誤差，利用類內(nèi)緊致、類間離散的原則進(jìn)行圖像分類，較終可以對類內(nèi)顆粒圖像進(jìn)行平均，提高信噪比，從而實(shí)現(xiàn)對高分辨率三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。徐州低溫冷凍透射電鏡技術(shù)服務(wù)中心