什么是冷凍電鏡技術(shù)？冷凍電鏡技術(shù)，全稱是冷凍電子顯微鏡技術(shù)，是在低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術(shù)。冷凍電鏡技術(shù)，是一種重要的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究方法，它與X射線晶體學(xué)、核磁共振一起構(gòu)成了高分辨率結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的基礎(chǔ)。冷凍電鏡技術(shù)的研究，主要是冷凍成像和蛋白快速冷凍技術(shù)。根據(jù)諾貝爾獎評委會的說法，冷凍電鏡技術(shù)使生物分子成像，變得更加簡單，把生物化學(xué)帶入了一個新紀(jì)元。這項技術(shù)可以用來確定，溶液中生物分子的高清晰度結(jié)構(gòu)。冷凍電鏡技術(shù)其實比較抽象，一直以來它主要的問題是其圖像噪音極高、信號極低，研究的目標(biāo)是從中提取近原子分辨率的結(jié)構(gòu)信息?？梢孕蜗蟮谋扔鳛樵谝粋€機器轟鳴的工廠，監(jiān)測一只螞蟻爬行的聲音。冷凍電鏡的目標(biāo)，就是要完成這項艱巨的任務(wù)。因此，可見這項技術(shù)成果的科學(xué)價值。冷凍電鏡技術(shù)，是在低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術(shù)。南通透射電子顯微鏡技術(shù)服務(wù)中心

冷凍電鏡技術(shù)基本原理之電鏡三維重構(gòu)理論：D.DeRosier和A.Klug提出三維重構(gòu)理論是借助一系列沿不同方向投影的電子顯微像來重構(gòu)被測物體的立體構(gòu)型，利用計算機數(shù)字圖像處理技術(shù)進行電子顯微像三維重構(gòu)測定生物大分子結(jié)構(gòu)的概念和方法。透射電子顯微鏡成像過程中，電子束穿透樣品，將樣品的三維電勢密度分布函數(shù)沿著電子束的傳播方向投影至與傳播方向垂直的二維平面上。運用中心截面定理，從而可以通過三維物體不同角度的二維投影在計算機內(nèi)進行三維重構(gòu)來解析獲得物體的三維結(jié)構(gòu)。黃山透射電鏡技術(shù)哪里有將冷凍樣品保持低溫放置在透射電子顯微鏡下觀察，從而獲得生物大分子的結(jié)構(gòu)，被稱為冷凍電鏡技術(shù)。

單顆粒冷凍電鏡技術(shù)：生物大分子快速冷凍后，在低溫下利用透射電子顯微鏡對結(jié)構(gòu)均一、分散的全同樣品顆粒進行成像，再經(jīng)圖像處理及重構(gòu)計算獲得樣品的三維結(jié)構(gòu)。可研究生物大分子在溶液中的結(jié)構(gòu)及構(gòu)象變化、無需結(jié)晶、所需樣品量相對較少，適合于蛋白質(zhì)、病毒等生物大分子及其復(fù)合物的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究。樣品制備：可以根據(jù)樣品、電鏡載網(wǎng)和其他使用條件，摸索合適的單顆粒樣品制備條件，純化、收集濃度范圍從幾微升50nM至5uM濃度的蛋白溶液來制備單顆粒電鏡樣品。在-196℃時，組織中的生物大分子能夠長期保持穩(wěn)定性、細(xì)胞活性及組織微觀結(jié)構(gòu)，同時，在低溫下，生物樣品耐受電子輻照劑量增強，且其在電鏡鏡筒的高真空環(huán)境中脫水變形的問題也得以解決。Vitrobot和EMGP2均能夠提供快速、簡單、可重復(fù)的安自動化樣品玻璃化制備過程，其在恒定的物理和機械條件下（如溫度、相對濕度、吸濕條件和冷凍速度）對樣品進行冷凍固定確保生物樣品在低溫狀態(tài)下仍保持天然構(gòu)象。

單顆粒冷凍電鏡技術(shù)的顆粒挑選：接下來需要從原始數(shù)據(jù)中篩選出顆粒投影，也被稱為“顆粒挑選”，顆粒挑選的好壞也將影響所有后續(xù)的分析和處理過程，是一個重要并且繁瑣的步驟。顆粒挑選方式可以分為手動挑選、半自動挑選和完全自動挑選這幾種。在早期的分析中，對于結(jié)構(gòu)的了解還非常少，優(yōu)先考慮的都是人工挑選。但是自動的顆粒圖像獲取方法的出現(xiàn)使得在很短時間內(nèi)可以收集數(shù)十萬張顆粒圖像，人工挑選大量的顆粒圖像不太現(xiàn)實，并且人工的挑選通常會過于集中于某一類顆粒圖像，導(dǎo)致遺漏和偏差。半自動和全自動的方法主要有以下三類：(1)通過例如降噪、反襯增強、邊緣算子等圖像形態(tài)學(xué)方法搜索區(qū)域，基于數(shù)字圖像處理學(xué)的原理，將顆粒圖像與背景分離開來。(2)基于模板的方法，通過掃描數(shù)據(jù)圖像和已知的模板比較來挑選出潛在的顆粒圖像，模板的來源通常為手動選出的數(shù)據(jù)圖像中較為清晰的顆粒圖像，或者是已知結(jié)構(gòu)的投影。(3)結(jié)合無模板和有模板的方法，通過一些有監(jiān)督的機器學(xué)習(xí)算法進行顆粒挑選。冷凍電鏡技術(shù)中的單顆粒分析法在分析具有同質(zhì)性結(jié)構(gòu)的樣品時表現(xiàn)出更方便、更優(yōu)異的成像能力。

冷凍電子顯微鏡技術(shù)之樣品成像：低劑量輻照成像，普通的樣品材料在進行TEM表征時，電子劑量越高，成像質(zhì)量越好。但生物樣品受到的輻照損傷卻是和累積的輻照總劑量相關(guān)的。更詳細(xì)一點說，隨著輻照劑量的增加，輻照損傷對高分辨細(xì)節(jié)的破壞更嚴(yán)重。因此，為了盡可能地獲得更多的細(xì)節(jié)，就必須要對樣品采用用低劑量輻照成像。在冷凍電鏡技術(shù)中，常用的低劑量輻照成像法有兩種：冷凍電子斷層掃描法，單顆粒分析成像法。冷凍電鏡技術(shù)中的電子斷層掃描技術(shù)（cryogeniccomputedtomography）：進行斷層掃描時，樣品被連續(xù)不停地旋轉(zhuǎn)，并在每個旋轉(zhuǎn)角度上都進行一次成像。每一幅電子顯微像是物體在不同投影方向的二維投影像,經(jīng)傅立葉變換會得到一系列不同取向的截面，當(dāng)截面足夠多時，會得到傅立葉空間的三維信息，再經(jīng)傅立葉反變換便能得到物體的三維結(jié)構(gòu)。冷凍電鏡技術(shù)之冷凍掃描電鏡是克服樣品含水問題的一個快速、可靠和有效的方法。黃石低溫冷凍透射電子顯微鏡技術(shù)

冷凍電鏡技術(shù)中單顆粒分析法優(yōu)點：樣品受總輻射值??；對稱顆粒的解析分辨率更高。南通透射電子顯微鏡技術(shù)服務(wù)中心

冷凍電子顯微鏡技術(shù)：目前使用的幾種主要的結(jié)構(gòu)解析方法包括:電子晶體學(xué)單顆粒重構(gòu)技術(shù)和電子斷層掃描重構(gòu)技術(shù)等。電子晶體學(xué)：電子晶體學(xué)技術(shù)利用電子顯微鏡的成像和電子衍射的功能，從生物大分子的二維晶體獲取結(jié)構(gòu)信息，解析其三維結(jié)構(gòu)。生物大分子在空間中有序排列，可以形成三維晶體，也可以形成二維晶體對于二維晶體來說，其只在X-Y平面內(nèi)具有平移對稱性，電子波照射到二維晶體上時能夠發(fā)生衍射。根據(jù)電子顯微鏡記錄的二維圖像來確定相位，利用二維晶體的衍射圖譜來確定振幅，從而通過反傅里葉變換計算出大分子的密度投影，之后再利用三維重構(gòu)技術(shù)獲得大分子的三維結(jié)構(gòu)圖，從而解析出生物大分子的三維結(jié)構(gòu)。該方法的特點是解析分辨率較高，可達到近原子分辨率。但獲得蛋白的二維晶體來作為樣品，仍然是一項非常具有挑戰(zhàn)性的工作。南通透射電子顯微鏡技術(shù)服務(wù)中心

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