淮南透射电镜技术服务中心

冷冻电镜技术基本原理之三维冷冻电镜技术：样品经过在液氮中的冷冻固定，使得生物大分子中的H2O分子以玻璃态的形式存在，保持低温，将样品放入显微镜，高度相干的电子作为光源从上面照射下来，透过样品和附近的冰层，受到散射，利用探测器和透镜系统把散射的信号成像记录下来，再进行信号处理，较后利用三维重构的技术得到样品的三维结构。冷冻电镜技术的独特优势分辨率高：光学显微镜的分辨率为0.2μm，透射电子显微镜的分辨率为0.2nm，透射电子显微镜在光学显微镜的基础上放大了1000倍。冷冻电镜技术的基本原理利用快速冷冻技术将其瞬间冷冻至液氮温度下。淮南透射电镜技术服务中心

冷冻电镜技术是什么呢？冷冻电镜用于生物样品三维结构解析，包含单颗粒分析、微晶电子衍射和冷冻电子断层扫描3种技术。冷冻电镜单颗粒分析技术（cryo-EMSPA）是一种以单颗粒形式分析生物分子组装的新方法，通过将负染电镜筛选获得的合适浓度的生物分子样品快速冷冻，使生物大分子以近天然状态存在于无定形冰中，然后进行冷冻样品的筛选、数据收集和三维结构解析，从而获得高分辨率的生物分子结构。冷冻电镜单颗粒分析技术能够从分子层面进行详细的研究，解析基于结构的药物研发的分子基础，而冷冻电子断层扫描能够从亚细胞水平观察目标分子在原位细胞环境中的作用位点和作用机制，相信在不久的将来能够用于进一步确认基于结构的药物研究的可靠性。微晶电子衍射不只能够进行小分子微晶结构解析，也可与现有技术互补，进行生物大分子及其复合物的微晶结构解析。湖州冷冻电子显微镜技术特点冷冻电镜技术的独特优势：它与X射线晶体学、核磁共振一起构成了结构生物学研究的基础。

冷冻电镜技术在结构生物学中的应用：冷冻电镜技术主要应用在单个蛋白质分子结构的分析方面。此外，冷冻电子显微镜技术还将普遍应用于细胞组织的超微结构解析，对解开生命活动的规律和机制等奥秘会产生更大影响。有人创造了利用冷冻电镜单颗粒分析技术解析至近原子分辨率的分子量较小的生物大分子的记录。施一公研究组解析了γ-secretase蛋白质和RyR-1蛋白质。研究组解析了Mammalianrespirasome蛋白质。随着越来越多蛋白质神秘面纱的揭开，我们可以更好地解释各种各样的生命活动发生的原因和机理。利用冷冻电镜技术观察到的蛋白质结构，我们可以定向改造或构建新的蛋白质用于科研或医疗领域。

冷冻电镜技术也正在成为助力医药研发的有力手段。依托对蛋白质结构的理解，科学家正在开发更有效的治Ca药、打菌素、止痛药、麻醉剂等。中国过去10多年里，建成了世界上较大的冷冻电镜设施。中国的科学家，也在冷冻电镜领域取得了很多举世瞩目的成就，引起了世界的普遍关注。比如清华大学的施一公团队，对老年痴呆症相关的重要蛋白质结构进行了解析，对于我们理解它的发病机理甚至开发重要治疗方法有重要意义。他们对剪接体复合体一系列结构的研究帮助我们理解细胞的演化、细胞的基因调控和其他一些相关疾病有着重要意义。2019年，中国科学家利用冷冻电镜技术解析到世界上目前分辨率较高的猪瘟病毒结构，这对我们了解该病毒的发病机理，以及如何更好开发疫苗具有重要意义。冷冻电镜技术采用的快速冷冻技术关键在于“快速”。

冷冻电子显微镜技术中单颗粒重构技术：该技术也叫做单颗粒分析，主要适用于结构具有全同性的生物大分子的结构解析，蛋白质的分子量通常要求在100KD以上，在颗粒数目足够多的情况下，理论上其分辨率可以达到原子水平。该方法的图像处理和三维重构计算过程如下:从原始的电镜照片中将颗粒图像挑选出来，对其进行二维图像对中、分类和平均，然后通过计算等价线的方法推算各分类图的取向，利用傅里叶重构法建立始三维结构模型，通过对原始图片或分类平均图与结构模型投影的匹配，优化取向参数，进而得到更准确的三维结构模型，如此反复对初始结构模型进行修正，直到收敛获得较终的结果。单颗粒重构技术近年来发展迅速，应用普遍，不断有文章报道利用此技术所获得的大分子复合物的三维结构。冷冻电镜技术之冷冻透射电镜通过对样品的冷冻，降低电子束对样品的损伤，从而得到更加真实的样品形貌。淮南透射电镜技术服务中心

冷冻电镜技术助力快速、高效的新药研发。淮南透射电镜技术服务中心

冷冻电镜技术具有分辨率高、更接近天然状态、适用研究对象普遍等特点，越来越多的科学家开始把冷冻电镜技术作为研究的一个新方向。冷冻电镜技术与X射线技术和核磁共振技术互相补充，让绝大多数的蛋白质的结构都可以被解析。众多领域的研究者们将在未来冷冻电镜新的技术方法的开发中发挥重要的作用，成为该技术的进一步完善与成熟的重要力量。冷冻电镜领域研究者们则需要以主动开放的态度吸引其他领域研究者的合作，并积极迎接来自更多领域研究者的挑战，保持并发展自己的技术特长，站在技术发展的制高点上选准研究方向，始终在冷冻电镜的技术前沿上开疆拓土。淮南透射电镜技术服务中心

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