低温透射电镜技术应用

冷冻电子显微技术学解析生物大分子及细胞结构的中心是透射电子显微镜成像,包括样品制备、图像采集、图像处理及三维重构等几个基本步骤。三维重构：数据处理的较终目的是为了获得生物样品的三维质量密度图，由二维图像推知三维结构的方法即三维重构。其理论原理是在1968年由DeRosier和Klug提出的中心截面定理:一个函数沿某方向投影函数的傅里叶变换等于此函数的傅里叶变换通过原点且垂直于此投影方向的截面函数。由于样品性质的不同，图像分析的方法也有差异。冷冻电镜技术主要应用在单个蛋白质分子结构的分析方面。低温透射电镜技术应用

什么是冷冻电镜技术？冷冻电镜技术，全称是冷冻电子显微镜技术，是在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术。冷冻电镜技术，是一种重要的结构生物学研究方法，它与X射线晶体学、核磁共振一起构成了高分辨率结构生物学研究的基础。冷冻电镜技术的研究，主要是冷冻成像和蛋白快速冷冻技术。根据诺贝尔奖评委会的说法，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。这项技术可以用来确定，溶液中生物分子的高清晰度结构。冷冻电镜技术其实比较抽象，一直以来它主要的问题是其图像噪音极高、信号极低，研究的目标是从中提取近原子分辨率的结构信息。可以形象的比喻为在一个机器轰鸣的工厂，监测一只蚂蚁爬行的声音。冷冻电镜的目标，就是要完成这项艰巨的任务。因此，可见这项技术成果的科学价值。原位冷冻电镜技术原理冷冻电镜技术之冷冻透射电镜通过对样品的冷冻，降低电子束对样品的损伤，从而得到更加真实的样品形貌。

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。

冷冻电镜技术是在20世纪70年代提出的，早在20世纪70年代科学家们就利用冷冻电镜研究病毒分子的结构，头次提出了冷冻电镜技术的原理、方法以及流程的概念。冷冻电镜的发展：冷冻电镜到底是什么?从上世纪70年代兴起至今，冷冻电子显微技术(cryo-EM)已经跨越了40多年的发展历史，经历了冷冻制样、单颗粒图像分析和三维重构算法等关键性技术的突破。通俗而言，冷冻电镜就是在传统透射电子显微镜之上，加上了低温传输系统和冷冻防污染系统。冷冻电镜技术的基本原理利用快速冷冻技术将其瞬间冷冻至液氮温度下。

冷冻电子显微镜技术中电子断层扫描重构技术：电子断层扫描技术是从一个物体的投影图像重构获得物体内部结构的技术，通过获取同一物体的多个连续角度下的二维投影图来反向重构它的三维结构。简单地说，电子断层扫描技术就是将一个物体(样品)沿着一个与电子束垂直的轴旋转，每旋转一个角度，采集这个物体在相对应方向上的二维投影像，通过对这些二维投影图的处理(相互配准)，将不同角度的二维投影图反向重构(如加权背投影等方法)，获得样品整体三维结构的技术。电子断层成像适合于在纳米级尺度上研究不具有结构均一性的蛋白、病毒、细胞器以及它们之间组成的复合体的三维结构。与电子晶体学和单颗粒技术相比，这种技术无需样品颗粒具有结构同一性，也不强调样品具有一定的对称性。因此，虽然目前电子断层成像所获得的结构的分辨率(约4~10纳米)不能与以上两种技术相比，但其在研究非定形、不对称和不具全同性的生物样品的三维结构和功能中有着不可替代的作用。冷冻电镜技术之冷冻透射电镜是将样品冷却到液氮温度，用于观测蛋白、生物切片等对温度敏感的样品。苏州单颗粒冷冻电镜技术服务公司

冷冻电镜技术中的单颗粒分析法的研究对象可以是具有某种对称性的颗粒，也可不具有任何对称性的蛋白分子。低温透射电镜技术应用

单颗粒冷冻电镜技术的图像处理技术：经过多年的发展，目前冷冻电镜的数据处理部分主要包含了以下的流程：(1)衬度传递函数的修正(CTFcorrection)；(2)样品分子投影数据的筛选(particleselection)；(3)二维投影数据的分类和降噪(2Danalysis)；(4)三维模型的重构和优化(3Dreconstructionandrefinement)；(5)多重构象的结构分析(heterogeneityanalysis)；(6)对重建结构分辨率的分析(structureresolutionassessment)；(7)结合生物化学原理和实验数据对三维结构的解读(modelinterpretationandvalidation)。低温透射电镜技术应用