中、德研究团体联手利用“冷冻电镜技术”解析三维精细结构

日前，深圳先进院袁曙光课题组与德国马普生物物理所合作，利用真实细胞膜冷冻电镜技术，首次突破性地证明传统的人造细胞膜环境下所解析的冷冻结构与真实细胞膜环境下的结构差异巨大(主链RMSD高达33埃)，颠覆传统人们所认为的在人造细胞膜或者沉淀剂的环境下所解析的膜蛋白三维结构与其生理状态下的结构相同的观点。为基于结构的药物研发提供了可靠的理论基础，大大减少了新药研发的试错成本。

冷冻电镜是用于扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术(Cryo-SEM)，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。样品经过超低温冷冻、断裂、镀膜制样(喷金/喷碳)等处理后，通过冷冻传输系统放入电镜内的冷台(温度可至-185℃)即可进行观察。其中，快速冷冻技术可使水在低温状态下呈玻璃态，减少冰晶的产生，从而不影响样品本身结构，冷冻传输系统保证在低温状态下对样品进行电镜观察。

冷冻电子显微学技术在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术，即把样品冻起来并保持低温放进显微镜里面，用高度相干的电子作为光源从上面照下来，透过样品和附近的冰层，受到散射。我们再利用探测器和透镜系统把散射信号成像记录下来，进行信号处理，得到样品的结构。冷冻电镜技术作为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。

在透射电子显微镜下，高能电子束穿透每一个分子，如同X光穿过人的身体一样，可以拍摄到分子的形貌和它内部的结构信息。科学家们利用计算机将样本里的每一个分子提取出来，把相似的分子予以归类，然后叠加、平均获得其内部结构更为精细的图像，由此得到分子不同方向的二维结构，最后经过计算机三维重构算法，可以得到分子的三维模型。这一过程被称为冷冻电镜三维重构解析。

利用冷冻电镜技术进行三维重构的主要方法有： 单颗粒分析方法，电子晶体学方法，和电子断层成像方法。其中电子晶体学方法较多用于一些膜蛋白结构的解析， 其解析的结构可以达到很高的分辨率， 但要得到蛋白的二维晶体仍然是一个非常具有挑战性的工作。用于冷冻电镜研究的生物大分子样品必须十分纯净。冷冻电镜样品制备就是在亲水的支持膜上将冷冻的含水样品包埋在一层较样品略高的薄冰内的过程。冷冻样品向电镜内的转移将冷冻样品转移到电镜内的过程中需要注意，既不能使样品解冻，又不应在样品表面结霜。为此，需要用专门的设备—冷冻输送器，来完成这一步骤。

新闻来源：中国科学院深圳先进技术研究院

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