湖州低温冷冻透射电镜技术服务中心

冷冻电镜技术揭示生物分子细节：科学家在透射电子显微镜之上发明了冷冻电镜，实现了生物分子“近原子级”的分辨率，让人类终于可以一窥究竟生物分子是如何执行其功能。在过去几年里，冷冻电子显微镜技术逐渐成为结构生物学的重要研究工具。冷冻电镜技术的基本原理是将生物大分子溶液置于电镜载网上形成一层非常薄的水膜，然后利用快速冷冻技术将其瞬间冷冻至液氮温度下。冷冻速度非常快，以至于水膜无法形成晶体，而是形成一层玻璃态的冰。生物大分子就被固定在这层薄冰里。将这样的冷冻样品保持低温放置在透射电子显微镜下观察，从而获得生物大分子的结构，被称为冷冻电镜技术。冷冻电镜技术与X射线晶体学、核磁共振一起构成了高分辨率结构生物学研究的基础。湖州低温冷冻透射电镜技术服务中心

冷冻电子显微镜技术步骤之图像采集：冷冻的样品通过专门的设备一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，照相时必须使用较小曝光技术。经过透射电子显微镜中一系列复杂的过程，较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。常州冷冻电镜单颗粒技术平台将冷冻样品保持低温放置在透射电子显微镜下观察，从而获得生物大分子的结构，被称为冷冻电镜技术。

单颗粒冷冻电镜技术的颗粒挑选：接下来需要从原始数据中筛选出颗粒投影，也被称为“颗粒挑选”，颗粒挑选的好坏也将影响所有后续的分析和处理过程，是一个重要并且繁琐的步骤。颗粒挑选方式可以分为手动挑选、半自动挑选和完全自动挑选这几种。在早期的分析中，对于结构的了解还非常少，优先考虑的都是人工挑选。但是自动的颗粒图像获取方法的出现使得在很短时间内可以收集数十万张颗粒图像，人工挑选大量的颗粒图像不太现实，并且人工的挑选通常会过于集中于某一类颗粒图像，导致遗漏和偏差。半自动和全自动的方法主要有以下三类：(1)通过例如降噪、反衬增强、边缘算子等图像形态学方法搜索区域，基于数字图像处理学的原理，将颗粒图像与背景分离开来。(2)基于模板的方法，通过扫描数据图像和已知的模板比较来挑选出潜在的颗粒图像，模板的来源通常为手动选出的数据图像中较为清晰的颗粒图像，或者是已知结构的投影。(3)结合无模板和有模板的方法，通过一些有监督的机器学习算法进行颗粒挑选。

冷冻电镜技术：随着技术的不断进步和人类对于生命科学领域知识的不断积累，药物研发越来越走向理性化，包括法规体系的建立和优化、药品质量控制模式的变迁走向QbD阶段。基于结构的药物设计已经逐渐成为药物开发设计的主流，与此同时冷冻电镜技术也在蓬勃发展。冷冻电镜单颗粒分析技术和微晶电子衍射技术不只能解析近原子分辨率的结构，而且能解析传统结构生物学无法解析的结构，帮助确认药物靶点，拓展可用药物靶点的研究范围和完善基于靶点结构的药物设计。冷冻电子断层扫描技术在不久的未来可能提供细胞原位观察药物与靶点的作用。冷冻电镜技术就是在传统透射电子显微镜之上，加上了低温传输系统和冷冻防污染系统。

冷冻电镜技术之冷冻扫描电镜：扫描电镜工作者都面临着一个不能回避的事实，就是所有生命科学以及许多材料科学的样品都含有液体成分。很多动植物组织的含水量达到98%，这是扫描电镜工作者比较难对付的样品问题。冷冻扫描电镜(Cryo-SEM)技术是克服样品含水问题的一个快速、可靠和有效的方法。这种技术还被普遍地用于观察一些“困难”样品，如那些对电子束敏感的具有不稳定性的样品。各种高压模式如VP、LVESEM的出现，已允许扫描电镜观察未经冷冻和干燥的样品。但是，冷冻扫描电镜仍然是防止样品丢失水分的Z有效方法，它能应用于任何真空状态，包括装于扫描电镜的Peltier台以及向样品室内冲以水汽的装置。冷冻扫描电镜还有一些其他优点，如具有冷冻断裂的能力以及可以通过控制样品升华刻蚀来选择性地去除表面水分(冰)等。冷冻电镜技术的独特优势：冷冻电镜单粒子法既可以对具有对称结构的大分子进行研究。荆州冷冻电镜单颗粒技术用途

冷冻电镜技术中的单颗粒分析法：是针对单个粒子进行重构的技术。湖州低温冷冻透射电镜技术服务中心

冷冻电镜技术的应用情况：近年来，冷冻电镜技术在全球范围被大众所熟知，并且被越来越多的学术界和跨国制药企业所采用。在药物研发方面，多个跨国公司已经将冷冻电镜技术用于药物发现。虽然冷冻电镜技术属于前沿技术，但目前已经有利用冷冻电镜基于结构研发的药物进入临床试验。冷冻电镜技术在药品开发过程中的应用实例，进一步说明该技术在药品（生物制品）的质量方面有前瞻性的意义。在回顾技术应用的同时，也看到了未来冷冻电镜技术在新药研发方面的几个前瞻方向。我们相信冷冻电镜在基于结构的药物设计、生物制剂高级结构表征、冷链运输过程中的质量控制中将发挥越来越重要的作用。湖州低温冷冻透射电镜技术服务中心

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