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低温电子显微镜

低温电子显微技术（英语：Cryogenic electron microscopy，缩写：cryo-EM），是穿透式电子显微镜（TEM）的其中样品在超低温（通常是液氮温度-196℃）下进行型态研究的一种技术[1]。此种仪器一般称为低温电子显微镜（简称：低温电镜）或冷冻电子显微镜（简称：冷冻电镜）[2]。

历史 编辑

  • 早在1960年，便开始有学者提出这个想法并且投入相关研究，结果却不尽理想[2]。
  • 1974及1975年关键的两年，开始有学者陆续提出各种更佳的解决方案。肯·泰勒（Ken Taylor）和罗伯特·格拉瑟（Robert Glaeser）博士发现冷冻样品可以保持蛋白质的高分辨率讯号。理查德·亨德森博士在生物样本中使用葡萄糖液以避免样本干燥和电子束伤害，并透过倾斜样本，以得到不同角度的投影影像，建立3D模型，当时结构分辨率达到7Å。斯塔尔·麦克道沃尔（Alasdair McDowall）博士用液态乙烷作为冷冻介质，发现铜网上的液滴较过去的研究能产生更佳的玻璃化冷冻状态，能有效提升冷冻样本的讯噪比，这项发现使冷冻电镜的技术突破[2]。
  • 1981年，姚阿幸·法兰克（Joachim Frank）博士提出了单粒子分析的方法，称作单粒子是因为样品是单一来源的粒子。因此使用大量 2D 投影影像分类后进行数据平均，并算出可能的投影相对角度来得到3D结构[2]。
  • 2011年，随着冷冻电镜设备技术成熟以及单分子运算法的越趋成熟，已能获得接近原子等级的分辨率[2]。
  • 2013年，将电镜影像记录设备的底片系统改成利用光电效应记录电子数字信号，提高电子讯号的转换效率，有效增强了讯噪比并保有高解析的图像讯息[2]。
  • 2014年，低温电子显微镜图片的分辨率稳步提高，并且在一些结构中达到了接近原子级的分辨率，包括病毒，核糖体，线粒体，离子通道，和酶复合物，小至170kDa的一些结构的分辨率达到4.5Å[1]。
  • 2017年，理查德·亨德森、雅克·杜博歇及姚阿幸·法兰克因其在低温电子显微镜技术的发展而获颁诺贝尔化学奖，得奖理由是“发展冷冻电子显微镜技术，以高分辨率呈现溶液中的生物分子结构”[3]。
  • 2018年，已有一些文章发表的蛋白结构，分辨率可达小于2Å[2]。

用途 编辑

通过低温电子显微镜观察巴斯德毕赤酵母(Pichia pastoris)的醇氧化酶的结构
 
GroEL（英语：GroEL）的低温电子显微镜图像，以50000×放大倍率悬挂在非晶质冰中
  • 低温电子显微镜在结构生物学方面越来越受欢迎[4]。此为重要的结构生物学研究方法，与X射线晶体学（X-ray crystallography）和核磁共振（NMR）共同构成高分辨率结构生物学研究的基础，在探究生物大分子结构并揭示其功能方面极为重要[5]。
  • 低温电子显微镜的实用性来源于它允许观察未以任何方式被染色或固定的标本，在它们的自然环境中被显示。这与X射线晶体学相反，需要使样品结晶，这样做可能是困难的，并将其置于非生理环境中，这偶尔会导致功能上无关的构象变化。

相关技术 编辑

各种技术可应用于低温电子显微镜[6]，包括：

相关条目 编辑

参考文献 编辑

  1. ^ 1.0 1.1 Kuehlbrandt, Werner. Cryo-EM enters a new era. eLife. 2014, 3: e03678. PMC 4131193  . PMID 25122623. doi:10.7554/elife.03678. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 谢达斌、吴尚蓉、吴亚娜. 從顯微鏡到冷凍電鏡的進化. 国家实验研究院. 2018-12. ISSN 0250-1651 （中文）. 
  3. ^ 林宇轩、曹一允、蔡蕴明 合译. 2017年諾貝爾化學獎簡介. Nobel Media. 2007-10-05 [2018-12-11]. （原始内容存档于2019-06-22） （中文（台湾））. 
  4. ^ Callaway, Ewen. The revolution will not be crystallized: A new method sweeps through structural biology. Nature. 2015, 525 (7568): 172–4. Bibcode:2015Natur.525..172C. PMID 26354465. doi:10.1038/525172a. 
  5. ^ 阎纪宇. 2017年諾貝爾化學獎「冷凍電子顯微鏡」技術大師獲殊榮. 风传媒. 2017-10-04 [2018-12-11]. （原始内容存档于2018-08-15） （中文（台湾））. 
  6. ^ rio. Presentation on Cryoelectron Microscopy. PharmaXChange.info. 2011-01-27 [2018-12-11]. （原始内容存档于2018-01-04） （英语）. 
  7. ^ Fu, Ziao; Kaledhonkar, Sandip; Borg, Anneli; Sun, Ming; Chen, Bo; Grassucci, Robert A.; Ehrenberg, Måns; Frank, Joachim. Key Intermediates in Ribosome Recycling Visualized by Time-Resolved Cryoelectron Microscopy. Structure. 2016, 24 (12): 2092–2101. PMC 5143168  . PMID 27818103. doi:10.1016/j.str.2016.09.014. 
  8. ^ Feng, Xiangsong; Fu, Ziao; Kaledhonkar, Sandip; Jia, Yuan; Shah, Binita; Jin, Amy; Liu, Zheng; Sun, Ming; Chen, Bo; Grassucci, Robert A.; Ren, Yukun; Jiang, Hongyuan; Frank, Joachim; Lin, Qiao. A Fast and Effective Microfluidic Spraying-Plunging Method for High-Resolution Single-Particle Cryo-EM. Structure. 2017, 25 (4): 663–670.e3. PMC 5382802  . PMID 28286002. doi:10.1016/j.str.2017.02.005. 
  9. ^ Chen, Bo; Kaledhonkar, Sandip; Sun, Ming; Shen, Bingxin; Lu, Zonghuan; Barnard, David; Lu, Toh-Ming; Gonzalez, Ruben L.; Frank, Joachim. Structural Dynamics of Ribosome Subunit Association Studied by Mixing-Spraying Time-Resolved Cryogenic Electron Microscopy. Structure. 2015, 23 (6): 1097–105. PMC 4456197  . PMID 26004440. doi:10.1016/j.str.2015.04.007. 

外部链接 编辑

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