冷冻电镜单颗粒技术的发展现状与未来

作者：黄岚青，刘海广（北京计算科学研究中心复杂系统研究部）

在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术，就叫做冷冻电子显微镜技术，简称冷冻电镜(cryo-electronmicroscopy，cryo-EM)。冷冻电镜是重要的结构生物学研究方法，它与另外两种技术：X射线晶体学(X-raycrystallography)和核磁共振(nuclearmagneticresonance，NMR)一起构成了高分辨率结构生物学研究的基础，在获得生物大分子的结构并揭示其功能方面极为重要。

电子显微三维重构技术起源于年，D.J.DeRosier和AaronKlug在Nature上发表了一篇关于利用电子显微镜照片重构T4噬菌体尾部三维结构的著名论文，提出并建立了电子显微三维重构的一般概念和方法。AaronKlug本人也因为这个开创性的工作获得了年的诺贝尔化学奖。

为了降低高能电子对分子结构的损伤，KennethA.Taylor和RobertM.Glaeser于年提出了冷冻电镜技术，并且用于实验研究。经过三十多年的发展，冷冻电镜技术已经成为研究生物大分子结构与功能的强有力手段。冷冻电镜本质上是电子散射机制，基本原理就是把样品冻起来然后保持低温放进显微镜里面，利用相干的电子作为光源对分子样品进行测量，透过样品和附近的冰层，透镜系统把散射信号转换为放大的图像在探测器上记录下来，最后进行信号处理，得到样品的三维结构。

在超低温的条件下，电子带来的辐射损伤被有效控制。即便如此，分子样品所能承受的辐射剂量也是非常低的，导致信噪比非常低。另外，随着观测的进行，额外的电子会累积而造成分子的移动，导致获得的图像变得模糊。这就好比用一个简单的傻瓜相机拍摄在雨中飞驰的子弹，得到的影像必然是模糊的并且充满噪音。因此，冷冻电镜的方法技术在很长时间内只能确定个头比较大的样品的结构，比如病毒颗粒的结构，而且通常分辨率都不高。然而随着工程技术和算法的不断发展，能够确定的分辨率也越来越高(图1(a))，年发布的谷氨酸脱氢酶结构的分辨率甚至已经达到了1.8?。与此同时，也有越来越多的通过冷冻电镜技术得到的研究成果发表在高水平的期刊上(图1(b))，冷冻电镜正备受科学界的







































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