徐州生物冷冻透射电子显微镜技术

冷冻电镜技术解析结构主要风险在：A.样品很不稳定，样品寄送过来的时候，已经降解或者聚集，无法进行后续处理；B.样品在冷冻制样的过程中，可能会被冻碎，从而无法进行后续处理；C.样品纯度可能很好，但是均一度很差，从而难以获得样品的高分辨结构；D.我们关心的区域可能在整个复合体中有很强的柔性，从而经过二维或者三维平均后，我们关心区域的分辨率会比较差甚至看不见，达不到我们的预期；E.一些配体，比如药物前体分子，分子量太小，不一定能在电镜的密度图中观测到；F.对于合适的样品，我们冷冻制样需要优化的参数有很多，包括样品浓度的优化，blottime的优化，温度的优化，grid规格（铜网或者金网）的优化等一系列条件的优化。因此冷冻电镜制样需要丰富的经验和充足的机时支持，不同的实验者，成功率可能差别很大。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。徐州生物冷冻透射电子显微镜技术

什么是冷冻电镜技术？冷冻电镜技术，全称是冷冻电子显微镜技术，是在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术。冷冻电镜技术，是一种重要的结构生物学研究方法，它与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。冷冻电镜技术的研究，主要是冷冻成像和蛋白快速冷冻技术。根据诺贝尔奖评委会的说法，冷冻电镜技术使生物分子成像，变得更加简单，把生物化学带入了一个新纪元。这项技术可以用来确定，溶液中生物分子的高清晰度结构。冷冻电镜技术其实比较抽象，一直以来它主要的问题是其图像噪音极高、信号极低，研究的目标是从中提取近原子分辨率的结构信息。可以形象的比喻为在一个机器轰鸣的工厂，监测一只蚂蚁爬行的声音。冷冻电镜的目标，就是要完成这项艰巨的任务。因此，可见这项技术成果的科学价值。徐州生物冷冻透射电子显微镜技术冷冻电镜技术中的单颗粒分析法理论成像分辨率更高。

冷冻电子显微镜技术：目前使用的几种主要的结构解析方法包括:电子晶体学单颗粒重构技术和电子断层扫描重构技术等。电子晶体学：电子晶体学技术利用电子显微镜的成像和电子衍射的功能，从生物大分子的二维晶体获取结构信息，解析其三维结构。生物大分子在空间中有序排列，可以形成三维晶体，也可以形成二维晶体对于二维晶体来说，其只在X-Y平面内具有平移对称性，电子波照射到二维晶体上时能够发生衍射。根据电子显微镜记录的二维图像来确定相位，利用二维晶体的衍射图谱来确定振幅，从而通过反傅里叶变换计算出大分子的密度投影，之后再利用三维重构技术获得大分子的三维结构图，从而解析出生物大分子的三维结构。该方法的特点是解析分辨率较高，可达到近原子分辨率。但获得蛋白的二维晶体来作为样品，仍然是一项非常具有挑战性的工作。

冷冻电镜技术测定结构的几种方法：X射线晶体学、NMR、和冷冻电镜技术各有优缺点，将这几种方法结合共同研究结构与功能将使结构生物学家对所研究的分子有更为全部的理解，而这些信息是单用任何一个方法所无法获得的。将X射线晶体模型与经电镜获得的密度图重合可以对电镜三维重构的结构作更详尽的解释，例如将牛的水通道（AQP1,与人的有90%同源性）的高分辨率的晶体结构与先前用冷冻电镜技术重构出来的人的中等分辨率水通道的三维结构进行比较，可以进一步确定冷冻电镜获得的中等分辨率的结构，同时也显示出了冷冻电镜技术的优势和局限性。另一方面，较低分辨率的电镜三维重构模型可以用来解释病毒或大分子的晶体结构。而且，将X射线晶体的精细结构与冷冻电镜的重构模型结合构建生物大分子复合物在发挥功生物学功能过程中出现的构像变化模型。这很大程度增加了我们对于复杂分子的活动机制的理解。电子显微技术，成像技术，计算机技术，生物信息技术等不同学科的结合，将为我们提供研究生命现象与本质的强有力的手段。冷冻电镜技术能够提供生理环境下大分子复合物纳米、亚纳米甚至近原子尺度的原位结构信息。

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。冷冻电镜技术之冷冻扫描电镜是克服样品含水问题的一个快速、可靠和有效的方法。芜湖快速冷冻显微镜技术应用

冷冻电镜技术之冷冻蚀刻电子显微镜优点：样品经冷冻断裂蚀刻后，能够观察到不同劈裂面的微细结构。徐州生物冷冻透射电子显微镜技术

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。徐州生物冷冻透射电子显微镜技术

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