什么是冷冻电镜

 什么是冷冻电镜？

冷冻电镜，全称冷冻电子显微镜技术（Cryo-electron microscopy, Cryo-EM）（我大材料的小伙伴也快好好记住这个单词，相信不就的将来就会成为检索材料学文献的热门关键词），是指将生物大分子快速冷冻后，在低温环境下利用透射电子显微镜对样品进行成像，再经图像处理和重构计算获得样品三维结构的方法^[1]。图1就是中科院生物物理研究所的FEI Titan Krios 300kV冷冻电镜，据说单台应该在600万美元以上。经过30多年的发展，冷冻电镜甚至超越了X射线晶体学、核磁共振（NMR）支撑起了高分辨率结构生物学研究的基础。

图1 FEI Titan Kiros 300kV 冷冻电镜实物图

那么为什么需要冷冻电镜技术？众所周知，X射线晶体学是解析结构的经典方法，然而它需要获得生物样品单晶，生物大分子的晶体生长却十分困难；而与此同时，材料学研究中早已使用电镜直接观察到了原子像^[2]（作为一名材料汪，TEM、SEM的重要性我想无需赘言），于是生物学家也想用电镜给生物大分子拍一张高清照片，解析其结构，以理解其生化反应机制，然而事情没有那么简单，电子显微镜在生物领域的应用受到了严重限制：（1）生物样品含有丰富的水，而透射电镜的工作条件是高度真空的；（2）高能电子束会严重破坏生物样品；（3）生物样品主要是C、O、N、H等轻元素，对电子的反射和散射与背景相似，获得图像衬度很低；（4）蛋白质分子会漂移，导致图像模糊。经过众多科学家的长期努力，不断克服种种困难，冷冻电镜技术终于发展了起来，实现了溶液里生物分子高分辨率的结构解析，使得生物化学进入了一个新时代，其中3位有开创性贡献的科学家因此荣膺2017年诺贝尔化学奖。他们分别是：瑞士洛桑大学Jacques Dubochet教授、美国哥伦比亚大学Joachim Frank教授和英国剑桥大学Richard Henderson教授。冷冻电镜技术给出的生物大分子高清照相的方案是^[1]：样品冷冻→低剂量电子冷冻成像→三维重构。