冷凍電鏡研究

在低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術，就叫做冷凍電子顯微鏡技術，簡稱冷凍電鏡(cryo-electron microscopy， cryo-EM)。冷凍電鏡是重要的結構生物學研究方法，它與另外兩種技術：X射線晶體學(X-ray crystallography)和核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)一起構成了高分辨率結構生物學研究的基礎，在獲得生物大分子的結構并揭示其功能方面極為重要。

電子顯微三維重構技術起源于1968 年，D.J. De Rosier 和Aaron Klug 在Nature 上發表了一篇關于利用電子顯微鏡照片重構T4 噬菌體尾部三維結構的著名論文，提出并建立了電子顯微三維重構的一般概念和方法。Aaron Klug 本人也因為這個開創性的工作獲得了1982 年的諾貝爾化學獎。

為了降低高能電子對分子結構的損傷，Kenneth A. Taylor 和Robert M. Glaeser 于1974 年提出了冷凍電鏡技術，并且用于實驗研究。經過三十多年的發展，冷凍電鏡技術已經成為研究生物大分子結構與功能的強有力手段。冷凍電鏡本質上是電子散射機制，基本原理就是把樣品凍起來然后保持低溫放進顯微鏡里面，利用相干的電子作為光源對分子樣品進行測量，透過樣品和附近的冰層，透鏡系統把散射信號轉換為放大的圖像在探測器上記錄下來，最后進行信號處理，得到樣品的三維結構。

在超低溫的條件下，電子帶來的輻射損傷被有效控制。即便如此，分子樣品所能承受的輻射劑量也是非常低的，導致信噪比非常低。另外，隨著觀測的進行，額外的電子會累積而造成分子的移動，導致獲得的圖像變得模糊。這就好比用一個簡單的傻瓜相機拍攝在雨中飛馳的子彈，得到的影像必然是模糊的并且充滿噪音。因此，冷凍電鏡的方法技術在很長時間內只能確定個頭比較大的樣品的結構，比如病毒顆粒的結構，而且通常分辨率都不高。然而隨著工程技術和算法的不斷發展，能夠確定的分辨率也越來越高(圖1(a))，2016 年發布的谷氨酸脫氫酶結構的分辨率甚至已經達到了1.8 ?。與此同時，也有越來越多的通過冷凍電鏡技術得到的研究成果發表在高水平的期刊上(圖1(b))，冷凍電鏡正備受科學界的關注。