黄山冷冻电子显微镜技术平台

冷冻电镜技术未来之路在何方?除了蛋白等生物大分子外，生物样品还有很重要的一面是细胞和组织。即使是目前有很多重要的蛋白结构都得到了埃米级别的解析，但由于它们都是纯化出来的，已经脱离了原来位置，就如同一片树叶脱离了大树，研究的再深刻，目前也只是一叶遮目，不要说推测这片树叶在森林里的位置，即使是在哪颗特定大树上的生长部位和结构都很难说。因此解析细胞或组织这样大尺度的高分辨精细结构具有更普遍的生物学意义。冷冻电镜技术使生物分子成像，变得更加简单，把生物化学带入了一个新纪元。黄山冷冻电子显微镜技术平台

冷冻电镜技术的应用场景：冷冻电镜主要应用在结构生物学和材料科学当中，如在2020戴口罩戴口罩中研究人员通过冷冻电镜技术在解析病毒结构、推测其侵染人体细胞的路径等传播原理发挥了重要作用，研究人员将戴口罩的结构与其他几种冠状病毒进行了比较，发现2019-nCoV的S蛋白整体结构与SARS病毒S蛋白的整体结构相似，各个结构之间具有高度同源性。在材料科学的应用中，冷冻电镜技术在一些对电子束、热敏感材料，如钙钛矿材料、某些高分子材料、水凝胶、量子点等精细结构的物理表征与机理研究中也具有巨大的应用潜力。杭州冷冻电子显微镜技术应用冷冻电镜技术也正在成为助力医药研发的有力手段。

冷冻电镜技术工作流程：做好前面的工作就需要设定较佳的参数（比如：欠焦值、放大倍数和电子剂量等），记录这些样品区域的大量图像，用手工或半自动程序框取那些离散的分子形成的投影图。然后就是三维结构搭建。由于电子可能对非常敏感的样品造成辐射损伤，所以单颗粒冷冻电镜只能采用非常低的电子量，而这种电镜2D投影图像有非常大的背景噪声。为提高图像分辨率，研究人员首先需要提出一个初始的3D模型，然后对捕获的单颗粒2D图像进行分选。

冷冻电镜技术之冷冻透射电镜：冷冻透射电镜(Cryo-TEM)通常是在普通透射电镜上加装样品冷冻设备，将样品冷却到液氮温度(77K)，用于观测蛋白、生物切片等对温度敏感的样品。通过对样品的冷冻，可以降低电子束对样品的损伤，减小样品的形变，从而得到更加真实的样品形貌。它的优点主要体现在以下几个方面：首先是加速电压高，电子能穿透厚样品;第二是透镜多，光学性能好;第三是样品台稳定;第四是全自动，自动换液氮，自动换样品，自动维持清洁。冷冻电镜技术可实现直接观察液体、半液体及对电子束敏感的样品，如生物、高分子材料等。

单颗粒冷冻电镜技术：生物大分子快速冷冻后，在低温下利用透射电子显微镜对结构均一、分散的全同样品颗粒进行成像，再经图像处理及重构计算获得样品的三维结构。可研究生物大分子在溶液中的结构及构象变化、无需结晶、所需样品量相对较少，适合于蛋白质、病毒等生物大分子及其复合物的结构生物学研究。样品制备：可以根据样品、电镜载网和其他使用条件，摸索合适的单颗粒样品制备条件，纯化、收集浓度范围从几微升50nM至5uM浓度的蛋白溶液来制备单颗粒电镜样品。在-196℃时，组织中的生物大分子能够长期保持稳定性、细胞活性及组织微观结构，同时，在低温下，生物样品耐受电子辐照剂量增强，且其在电镜镜筒的高真空环境中脱水变形的问题也得以解决。Vitrobot和EMGP2均能够提供快速、简单、可重复的安自动化样品玻璃化制备过程，其在恒定的物理和机械条件下（如温度、相对湿度、吸湿条件和冷冻速度）对样品进行冷冻固定确保生物样品在低温状态下仍保持天然构象。冷冻电镜技术用于生物样品三维结构解析，包含单颗粒分析、微晶电子衍射和冷冻电子断层扫描3种技术。杭州冷冻电子显微镜技术应用

冷冻电镜技术能够揭示生物分子细节。黄山冷冻电子显微镜技术平台

冷冻电子显微镜技术中单颗粒重构技术：该技术也叫做单颗粒分析，主要适用于结构具有全同性的生物大分子的结构解析，蛋白质的分子量通常要求在100KD以上，在颗粒数目足够多的情况下，理论上其分辨率可以达到原子水平。该方法的图像处理和三维重构计算过程如下:从原始的电镜照片中将颗粒图像挑选出来，对其进行二维图像对中、分类和平均，然后通过计算等价线的方法推算各分类图的取向，利用傅里叶重构法建立始三维结构模型，通过对原始图片或分类平均图与结构模型投影的匹配，优化取向参数，进而得到更准确的三维结构模型，如此反复对初始结构模型进行修正，直到收敛获得较终的结果。单颗粒重构技术近年来发展迅速，应用普遍，不断有文章报道利用此技术所获得的大分子复合物的三维结构。黄山冷冻电子显微镜技术平台

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