低溫電子顯微鏡

低溫電子顯微技術（英語：Cryogenic electron microscopy，縮寫：cryo-EM），是穿透式電子顯微鏡（TEM）的其中樣品在超低溫（通常是液氮溫度-196℃）下進行型態研究的一種技術^[1]。此種儀器一般稱為低溫電子顯微鏡（簡稱：低溫電鏡）或冷凍電子顯微鏡（簡稱：冷凍電鏡）^[2]。

歷史

早在1960年，便開始有學者提出這個想法並且投入相關研究，結果卻不盡理想^[2]。
1974及1975年關鍵的兩年，開始有學者陸續提出各種更佳的解決方案。肯·泰勒（Ken Taylor）和羅伯特·格拉瑟（Robert Glaeser）博士發現冷凍樣品可以保持蛋白質的高解像度訊號。理查德·亨德森博士在生物樣本中使用葡萄糖液以避免樣本乾燥和電子束傷害，並透過傾斜樣本，以得到不同角度的投影影像，建立3D模型，當時結構解像度達到7Å。斯塔爾·麥克道沃爾（Alasdair McDowall）博士用液態乙烷作為冷凍介質，發現銅網上的液滴較過去的研究能產生更佳的玻璃化冷凍狀態，能有效提升冷凍樣本的訊噪比，這項發現使冷凍電鏡的技術突破^[2]。
1981年，姚阿幸·法蘭克（Joachim Frank）博士提出了單粒子分析的方法，稱作單粒子是因為樣品是單一來源的粒子。因此使用大量 2D 投影影像分類後進行數據平均，並算出可能的投影相對角度來得到3D結構^[2]。
2011年，隨着冷凍電鏡設備技術成熟以及單分子運算法的越趨成熟，已能獲得接近原子等級的解像度^[2]。
2013年，將電鏡影像記錄設備的底片系統改成利用光電效應記錄電子數位訊號，提高電子訊號的轉換效率，有效增強了訊噪比並保有高解析的圖像訊息^[2]。
2014年，低溫電子顯微鏡圖片的解像度穩步提高，並且在一些結構中達到了接近原子級的解像度，包括病毒，核糖體，線粒體，離子通道，和酶複合物，小至170kDa的一些結構的解像度達到4.5Å^[1]。
2017年，理查德·亨德森、雅克·杜博歇及姚阿幸·法蘭克因其在低溫電子顯微鏡技術的發展而獲頒諾貝爾化學獎，得獎理由是「發展冷凍電子顯微鏡技術，以高解像度呈現溶液中的生物分子結構」^[3]。
2018年，已有一些文章發表的蛋白結構，解像度可達小於2Å^[2]。

用途

通過低溫電子顯微鏡觀察巴斯德畢赤酵母(Pichia pastoris)的醇氧化酶的結構

GroEL（英語：GroEL）的低溫電子顯微鏡圖像，以50000×放大倍率懸掛在非晶質冰中

低溫電子顯微鏡在結構生物學方面越來越受歡迎^[4]。此為重要的結構生物學研究方法，與X射線晶體學（X-ray crystallography）和核磁共振（NMR）共同構成高解像度結構生物學研究的基礎，在探究生物大分子結構並揭示其功能方面極為重要^[5]。
低溫電子顯微鏡的實用性來源於它允許觀察未以任何方式被染色或固定的標本，在它們的自然環境中被顯示。這與X射線晶體學相反，需要使樣品結晶，這樣做可能是困難的，並將其置於非生理環境中，這偶爾會導致功能上無關的構象變化。

參考文獻

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外部連結

文章

The History of Cryo-EM（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）（英文）
Explainer: What is cryo-electron microscopy（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）（英文）

影片

What is Cryo-Electron Microscopy (Cryo-EM)?（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）（英文）

[kb-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.

[scidev-2] 2.0 ^2.1 ^2.2 ^2.3 ^2.4 ^2.5 ^2.6 謝達斌、吳尚蓉、吳亞娜. 從顯微鏡到冷凍電鏡的進化. 國家實驗研究院. 2018-12. ISSN 0250-1651 （中文）.

[3] 林宇軒、曹一允、蔡蘊明合譯. 2017年諾貝爾化學獎簡介. Nobel Media. 2007-10-05 [2018-12-11]. （原始內容存檔於2019-06-22）（中文（臺灣））.

[nat1-4] 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] 閻紀宇. 2017年諾貝爾化學獎「冷凍電子顯微鏡」技術大師獲殊榮. 風傳媒. 2017-10-04 [2018-12-11]. （原始內容存檔於2018-08-15）（中文（臺灣））.

[6] rio. Presentation on Cryoelectron Microscopy. PharmaXChange.info. 2011-01-27 [2018-12-11]. （原始內容存檔於2018-01-04）（英語）.

[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.

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