什么是冷凍電鏡

 什么是冷凍電鏡？

冷凍電鏡，全稱冷凍電子顯微鏡技術（Cryo-electron microscopy, Cryo-EM）（我大材料的小伙伴也快好好記住這個單詞，相信不就的將來就會成為檢索材料學文獻的熱門關鍵詞），是指將生物大分子快速冷凍后，在低溫環境下利用透射電子顯微鏡對樣品進行成像，再經圖像處理和重構計算獲得樣品三維結構的方法^[1]。圖1就是中科院生物物理研究所的FEI Titan Krios 300kV冷凍電鏡，據說單臺應該在600萬美元以上。經過30多年的發展，冷凍電鏡甚至超越了X射線晶體學、核磁共振（NMR）支撐起了高分辨率結構生物學研究的基礎。

圖1 FEI Titan Kiros 300kV 冷凍電鏡實物圖

那么為什么需要冷凍電鏡技術？眾所周知，X射線晶體學是解析結構的經典方法，然而它需要獲得生物樣品單晶，生物大分子的晶體生長卻十分困難；而與此同時，材料學研究中早已使用電鏡直接觀察到了原子像^[2]（作為一名材料汪，TEM、SEM的重要性我想無需贅言），于是生物學家也想用電鏡給生物大分子拍一張高清照片，解析其結構，以理解其生化反應機制，然而事情沒有那么簡單，電子顯微鏡在生物領域的應用受到了嚴重限制：（1）生物樣品含有豐富的水，而透射電鏡的工作條件是高度真空的；（2）高能電子束會嚴重破壞生物樣品；（3）生物樣品主要是C、O、N、H等輕元素，對電子的反射和散射與背景相似，獲得圖像襯度很低；（4）蛋白質分子會漂移，導致圖像模糊。經過眾多科學家的長期努力，不斷克服種種困難，冷凍電鏡技術終于發展了起來，實現了溶液里生物分子高分辨率的結構解析，使得生物化學進入了一個新時代，其中3位有開創性貢獻的科學家因此榮膺2017年諾貝爾化學獎。他們分別是：瑞士洛桑大學Jacques Dubochet教授、美國哥倫比亞大學Joachim Frank教授和英國劍橋大學Richard Henderson教授。冷凍電鏡技術給出的生物大分子高清照相的方案是^[1]：樣品冷凍→低劑量電子冷凍成像→三維重構。