南京单颗粒冷冻电镜技术

低温冷冻透射电镜技术的特点：相对于常温透射电镜，低温透射电镜的优势有：①快速冷冻制样技术将样品固定在玻璃态的冰层中，避免了水或溶剂结晶对样品结构的破坏，能够保持液相中有机分子自组装体和化学反应中间体的微观结构，避免了样品干燥引起的结构变化;②高分子及化学反应体系常常具有非平衡态结构，快速冷冻制样技术能够保持住非平衡态结构，进而得以观察;③低温条件能够尽可能保持有机和高分子等软物质材料的微观结构，明显减少电子束对样品的损伤。冷冻电镜技术也正在成为助力医药研发的有力手段。南京单颗粒冷冻电镜技术

冷冻电镜技术工作流程：首先是样品制备。高纯度、高浓度的蛋白样品溶液被滴在一个特制的样品载网上面。载网由一张布满小孔的超薄非晶碳薄膜和金属支撑框架组成，在表面张力的作用下，微孔上会形成一层跨孔的薄水膜。将多余溶液吸走后，把载有蛋白溶液超薄膜的载网迅速投入到液态乙烷冷冻剂中使其快速冷冻，从而使蛋白质分散固定在玻璃态的冰膜中。然后电镜图像采集。选择较有可能产生较佳图像的较佳颗粒密度和玻璃态冰厚度的样品。南京单颗粒冷冻电镜技术冷冻电镜技术之冷冻透射电镜优点：加速电压高，电子能穿透厚样品。

冷冻电镜技术原理之单颗粒技术：对分散分布的生物大分子分别成像，基于分子结构同一性的假设，对多个图像进行统计分析，并通过对正、加和平均等图像操作手段提高信噪比，进一步确认二维图像之间的空间投影关系后经过三维重构获得生物大分子的三维结构方法。其适合的样品分子量范围为80~50MD，Zgao分辨率约0.3nm。利用单颗粒技术获得三维重构的方法主要包括等价线方法、随机圆锥重构法、随机初始模型迭代收敛重构等方法，其基本目标是获得二维图像之间正确的空间投影关系，从而进行三维重构。

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。冷冻电镜技术中的单颗粒分析法在分析具有同质性结构的样品时表现出更方便、更优异的成像能力。

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。主要使用的几种冷冻电子显微学技术结构解析方法包括：电子晶体学、单颗粒重构技术、电子断层扫描等。南京单颗粒冷冻电镜技术

冷冻电镜技术的独特优势：更接近天然状态，不需要蛋白质结晶。南京单颗粒冷冻电镜技术

冷冻电子显微镜技术具有研究对象普遍、样品需求量少、更接近生理状态等独特优势，随着电子显微镜的硬件设备和结构解析的软件算法等方面不断取得的重要突破，冷冻电镜技术必将在研究对象、分辨率水平和研究方法等各个方面取得重大进展。当然，冷冻电镜技术也面临着许多技术上的挑战，怎样改进样品的制备技术，如何如何客观地对三维重构的结果进行检验、明确结构解析的分辨率以及对生物大分子构象不均一性的分析等仍然是冷冻电镜研究中有待解决的重要问题。但是，挑战越多，机遇也就越多。相信有关的研究者们，一定能够冷静抓住机遇，勇敢迎接挑战，让冷冻电镜技术在结构生物学、细胞生物学等领域发挥更大的作用，帮助我们更加深入、透彻地研究各种生命现象。南京单颗粒冷冻电镜技术

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