冷冻电镜技术

冷冻电子显微镜技术冷冻电子显微镜技术在20世纪70年代时提出，经过近10年的努力，在80年代趋于成熟，近年来已经进入了快速发展的时期。它的研究对象非常广泛，包括病毒、蛋白、肌丝、蛋白质核苷酸复合体、亚细胞器等。一方面，冷冻电微镜技术所研究的生物样品既可以是具有二维晶体结构的，也可以是非晶体的；而且对于样品的分子量没有限制。因此，大大突破了X-射线晶体学只能研究三维晶体样品和核磁共振波谱学只能研究小分子量（小于100KD）样品的限制。另一方面，生物样品是通过快速冷冻的方法进行固定的，克了因化服学固定、染色、金属镀膜等过程对样品构象的影响，更加接近样品的生活状态。冷冻电子显微学解析生物大分子及细胞结构的核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。一、样品制备用于冷冻电镜研究的生物样品必须非常纯净。生物样品是在高真空的条件下成像的，所以样品的制备既要能够保持本身的结构，又能抗脱水、电子辐射。现在普遍采用的方法是通过快速冷冻使含水样品中的水处于玻璃态，也就是在亲水的支持膜上将含水样品包埋在一层较样品略高的薄冰内。冰的结构多种多样，包括六角形冰、立方体冰等，其物理状态与冷冻速率有关。若要形成玻璃态（即无定形态）的冰，需要冷冻速率达到每秒钟104摄氏度。此时，冰的结构呈现各向同性，不会因成像角度不同而导致图像产生偏差。该方法有两个步骤：一是将样品在载网上形成一薄层水膜；二是将第一步获得的含水薄膜样品快速冷冻。在多数情况下，用手工将载网迅速浸入液氮内可使水冷冻成为玻璃态。其优点在于将样品保持在接近生活状态，不会因脱水而变形，同时可以减少辐射损伤。二、图像采集冷冻的样品通过专门的设备——冷冻输送器转移到电镜的样品室。在照相之前，必须观察样品中的水是否处于玻璃态，如果不是则应重新制备样品。由于生物样品对高能电子的辐射敏感，照相时必须使用最小曝光技术。经过透射电子显微镜中一系列复杂的过程，最终在记录介质上会形成样品放大几千倍至几十万倍的图像。利用计算机对这些放大的图像进行处理分析即可获得样品的精细结构。近年来，一个技术上的重大突破是高分辨率图像采集设备的开发与应用。基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术开发的直接探测电子成像的装置使电子显微放大图像的信噪比相对过去所使用的底片或电荷耦合元件(CCD)有了很大提高,进而提高了成像的质量。三、图像处理与三维重构数据处理的最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。目前使用的几种主要的结构解析方法包括:电子晶体学、单颗粒重构技术和电子断层扫描重构技术等。1.电子晶体学电子晶体学技术利用电子显微镜的成像和电子衍射的功能，从生物大分子的二维晶体获取结构信息，解析其三维结构。生物大分子在空间中有序排列，可以形成三维晶体，也可以形成二维晶体。对于二维晶体来说，其只在X-Y平面内具有平移对称性，电子波照射到二维晶体上时能够发生衍射。根据电子显微镜记录的二维图像来确定相位，利用二维晶体的衍射图谱来确定振幅，从而通过反傅里叶变换计算出大分子的密度投影，之后再利用三维重构技术获得大分子的三维结构图，从而解析出生物大分子的三维结构。该方法的特点是解析分辨率较高，可达到近原子分辨率。但获得蛋白的二维晶体来作为样品，仍然是一项非常具有挑战性的工作。2.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，直到收敛获得最终的结果。单颗粒重构技术近年来发展迅速，应用广泛，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。3.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。冷冻电子显微镜技术具有研究对象广泛、样品需求量少、更接近生理状态等独特优势，随着电子显微镜的硬件设备和结构解析的软件算法等方面不断取得的重要突破，冷冻电镜技术必将在研究对象、分辨率水平和研究方法等各个方面取得重大进展。当然，冷冻电镜技术也面临着许多技术上的挑战，怎样改进样品的制备技术，如何如何客观地对三维重构的结果进行检验、明确结构解析的分辨率以及对生物大分子构象不均一性的分析等仍然是冷冻电镜研究中有待解决的重要问题。但是，挑战越多，机遇也就越多。相信有关的研究者们，一定能够冷静抓住机遇，勇敢迎接挑战，让冷冻电镜技术在结构生物学、细胞生物学等领域发挥更大的作用，帮助我们更加深入、透彻地研究各种生命现象。参考文献[1]汪国良冷冻电子显微镜技术在生物大分子的三维结构研究中的应用北京大学医学部2007.[2]王宏伟冷冻电子显微学在结构生物学研究中的现状与展望[J]中国科学：生命科学2014.44.1020-1028.[3]尹长城冷冻电子显微学技术及其在现代生物学中的应用北京大学医学部基础医学院生物物理系2002.[4]隋森芳生物三维电子显微学进入全新高速发展时期[J]生物物理学报2007.23.228-238.[5]蔡刚单颗粒电子显微学的研究进展[J]生物物理学报2010.26.560-569.[6]黄晓星宋晓伟朱平冷冻电子断层成像技术及其在生物研究领域的应用[J]生物物理学报2010.26.570-578.[7]李茵茵李鲲鹏李向辉等含水纳米材料冷冻电镜直接成像研究[J]电子显微学报2012.31.346-349.[8]张凯张艳胡仲军等电子显微三维重构技术发展与前沿[J]生物物理学报2010.26.533-559.