《Nature》特别专题"技术聚焦：冷冻电镜技术" 强大的成像技术揭示生物结构的隐秘世界

摘要：

强大的成像技术

揭示生物结构的隐秘世界

冷冻电子显微镜（cryo-electron microscopy）从一种鲜为人知的成像技术迅速崛起，成为解析生物分子结构的强大工具，这一变革正深刻重塑我们对生物学的认知。

一张伪彩色冷冻电子显微镜（cryo-EM）图像展示了70S核糖体的分子结构。核糖体在蛋白质合成过程中起着至关重要的作用。 Credit: Reproduced from Ref. 2 and licensed under CC BY 4.0. ? 2023 G. McMullan et al.

我们在分子层面对生物机制的认识正以前所未有的速度扩展，分子结构的解析效率达到了历史新高。这个结构生物学的黄金时代，将极大深化人类对疾病机理的认知，并加速新药和疗法的开发。

冷冻电镜技术（cryo-EM）的普及是推动这一认知革命的重要力量。这项突破性技术能以原子级分辨率捕捉蛋白质、酶和病毒等生物分子的三维结构。 相较于X射线衍射技术，其最大优势在于无需对目标分子进行结晶处理——样品经超低温（通常-196°C）急速冷冻后，水分子来不及形成冰晶，从而完美保持生物分子的天然构象。

"冷冻电镜的核心优势是能捕捉近乎天然状态的分子结构，"  英国King’s College London超微结构成像中心主任Roland Fleck指出，"它让我们得以窥见最接近活体生物真实状态的分子世界，开辟了无可替代的研究疆域。当所有条件完美配合时，获得的图像更是美得令人震撼。"

作为冷冻电镜技术的奠基者与行业领导者，日本科学仪器制造商JEOL长期与Roland Fleck全球研究者保持深度合作，持续推动该技术的全球应用。 "在JEOL等制造商支持下，仪器创新对冷冻电镜发展功不可没，" Roland Fleck强调，"这种产学研协作是生命科学突破的关键，JEOL多年来不计短期商业回报，为高风险创新项目提供了持续支持。"

冷冻电镜在结构生物学领域堪称后来者。数十年来，X射线衍射技术一直是解析生物分子结构的首选方法——20世纪50年代初，正是这项技术揭开了DNA结构之谜。到了70年代，核磁共振（NMR）技术开始用于测定生物分子的三维结构。

但冷冻电镜的真正腾飞还要等到2012年左右。随着直接电子探测器的发展，分辨率革命就此爆发——这种新型探测器能直接捕获冷冻电镜系统中的电子信号，大幅提升成像清晰度；而传统探测器需先将电子转换为光子，这种间接成像过程会导致图像模糊。

作为分辨率革命的先驱之一，Richard Henderson（理查德·亨德森）因推动高分辨冷冻电镜发展荣获2017年诺贝尔化学奖。这位英国剑桥MRC分子生物学实验室荣誉科学家亲历了这场技术变革如何重塑整个领域。 "在分辨率革命前，冷冻电镜只是个边缘领域，" 亨德森回忆道，"人们认为这是条死胡同，没人愿意资助探测器研发，我们最后只能组建联盟自筹经费。2013年时，全球仅有三个实验室配备高分辨冷冻电镜。如今这类设备已遍布全球数百家机构。此后技术便呈指数级爆发增长。" 他补充道。

对于因结构复杂或溶解性问题无法结晶的生物分子，结构生物学家终于迎来了大展身手的时代。截至2025年，冷冻电镜解析的新结构数量即将超越X射线衍射技术。

这是一幅蛋白质折叠成三维结构的数字渲染图。冷冻电子显微镜技术正在拓展我们对生物系统分子层面运作机制的认知。 Credit: Christoph Burgstedt/Science Photo Library/Getty

在某些方面，冷冻电镜如今反而受困于自身的成功——在许多实验室，设备使用时间已变得一机难求。"在我们实验室，想用冷冻电镜必须提前六周预约才能获得一天的使用权；" 亨德森指出，"而X射线衍射仪随时可以免预约使用。"

他补充说，英国目前仅有30至40台冷冻电镜设备，但"至少需要100台"才能满足研究需求。然而，每台高达数百万美元的售价严重限制了设备的普及。东京大学物理学家Radostin Danev表示："300千伏的大型设备单价已接近1000万美元，这对多数高校和研究机构而言难以承受。"

亨德森观察到，制造商倾向于为设备叠加最新功能，这进一步推高了价格。他正致力于推动行业逆向发展——通过简化设备来降低成本。"我们回归本源思考：哪些新增功能其实可以精简？"

"我们的目标是让冷冻电镜更易获取、更经济实惠，" 亨德森强调，"简言之，就是要实现技术民主化。" 其团队正与JEOL的工程师合作推进这一愿景。 Radostin Danev也透露："我们正尝试以高端设备三分之一成本实现相近性能，目前进展顺利。"

降低成本的突破口在于采用低能电子束。"过去认为300-400千伏高压至关重要，因为理论上能获得更好成像。"  亨德森解释，"但这类设备体积庞大且技术复杂。我们研究发现，改用1980年代标准的100千伏电子束不仅成本大幅降低，还能在保持成像质量的同时加速分子结构解析。"

亨德森坚信这是领域发展的正确方向，他呼吁学界、药企和设备制造商携手推动冷冻电镜技术的普惠化："唯有通过协同创新，才能让这项技术更便捷、更快速、更经济，从而推动整个领域的蓬勃发展。"

在参与开发更经济、更紧凑的冷冻电镜系统的同时，Danev团队正利用高分辨率冷冻电镜解析G蛋白偶联受体（GPCRs）等关键细胞膜受体的精细结构。 "GPCR堪称药物研发中最关键的蛋白质家族，现有约35%的上市药物以其为靶点，但其结构研究极具挑战性。" 他解释道。

通过持续优化显微镜性能、样品制备及实验条件，研究团队成功将分辨率提升至新高度。"现在我们常规能获得2.5埃以下的高清结构，解析精度较以往显著提高。"  这项技术突破已结出硕果："与澳大利亚Monash University的合作中，我们解析了多个GPCR-配体复合物结构，为揭示其相互作用机制做出重要贡献。"  例如2021年，他们成功解析了降糖药semaglutide（司美格鲁肽）与GLP-1R受体结合的复合结构——该药物如今已成为全球现象级畅销药。

将样品浸入液氮中进行冷冻电镜制样。 Credit: PolakPhoto/Shutterstock

冷冻电镜领域长期聚焦于单分子结构解析，但该技术的潜力远不止于此——它还能在自然状态下观测更庞大的生物结构。 "冷冻电镜的应用绝非仅限于单颗粒分析，"  Fleck强调，"其边界远比想象中广阔。"

以冷冻电子断层扫描技术（cryo-ET）为例，这项先进技术通过倾转样品进行多角度冷冻电镜成像，能重构细胞薄片的原位三维结构。 结合JEOL的冷冻聚焦离子束系统（cryo-FIB），研究人员可对细胞切片进行成像，直接观察天然状态下的生物分子。

Fleck团队正着力开发全细胞冷冻FIB三维成像技术：先获取样品表层图像，再用离子束逐层削切并成像，重复此过程，最终构建完整三维模型。 "低温环境下的这种'切片-成像'循环操作，能实现生物样品的高保真立体重构。"

目前Fleck与JEOL合作升级的cryo-FIB系统已实现两大突破：一是支持样品在光学显微镜与冷冻电镜间快速转移，二是将光学显微镜直接集成到冷冻电镜中，使研究人员能精准定位目标结构。 团队还创新性地将稀疏采样与机器学习结合，显著提升了图像分辨率、信噪比和工作效率。

展望未来：

冷冻电镜技术的多维突破

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