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。冷冻电镜技术与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。武汉冷冻电子显微镜技术服务中心
冷冻电镜技术揭示生物分子细节:冷冻电镜可以通过揭示细胞里发生的生命过程细节,帮助人们了解很多有意思的生物学现象。比如,我们吃辣椒会觉得辣,是因为辣椒里有一种叫做辣椒素的小分子。辣椒素与位于舌头神经末梢的膜蛋白TPRV1结合,打开膜蛋白上的一个通道,让细胞膜外面的离子向细胞膜内部流动,这样微小的流动产生的电流通过神经纤维较终传递到我们的大脑,让我们感受到辣的感觉。2013年,科学家利用冷冻电镜技术,以近原子分辨率解析了膜蛋白TRPV1的通道结构,以及它与辣椒素相互结合的结构。人们由此了解到,实际上是由于辣椒素结合到4个亚基所组成的通道膜蛋白上把孔道撑开,才使得离子可以穿透。武汉冷冻电子显微镜技术服务中心冷冻电镜技术能够揭示生物分子细节。
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。
为什么要做冷冻透射电子显微镜技术服务?a.反应样品溶液里结构:如有机分子组装成的微球、囊泡、胶束、纳米管、片层、水凝胶结构等(往往一般透射拍摄到的都是溶液挥发干了之后的结构,但是这样的结构无论是形貌和尺寸和溶液里都有一定差别,现在好多文章的审稿意见都会需要这类结构的透射照片在溶液里的真实形貌,说简单了就是让补一个冷冻透射);b.不稳定的纳米结构:比如经不起强电子束照射的样品(MOF、COF等若相互作用力结合的材料,如金属配位、氢键相互作用、亲疏水作用力、ππ堆叠等)在强电子束照射下结构会坍塌,冷冻电镜全程在-160℃下可以做到对样品损害较小;c.生物类分子好多都需要冷冻,因为生物分子本身都需要在水或者血液等存活,一些生物样品构筑的一些纳米结构,如纳米微球、囊泡、膜、多孔材料等等。冷冻电镜技术之冷冻蚀刻电子显微镜优点:可研究细胞内的膜性结构及内含物结构。
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,是在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术。武汉冷冻电子显微镜技术服务中心
冷冻电镜技术中单颗粒分析法优点:解析生物大分子的理论分辨率可达原子级。武汉冷冻电子显微镜技术服务中心
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。武汉冷冻电子显微镜技术服务中心
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