黄石低温冷冻透射电子显微镜技术应用

冷冻电镜技术的应用场景：冷冻电镜主要应用在结构生物学和材料科学当中，如在2020戴口罩戴口罩中研究人员通过冷冻电镜技术在解析病毒结构、推测其侵染人体细胞的路径等传播原理发挥了重要作用，研究人员将戴口罩的结构与其他几种冠状病毒进行了比较，发现2019-nCoV的S蛋白整体结构与SARS病毒S蛋白的整体结构相似，各个结构之间具有高度同源性。在材料科学的应用中，冷冻电镜技术在一些对电子束、热敏感材料，如钙钛矿材料、某些高分子材料、水凝胶、量子点等精细结构的物理表征与机理研究中也具有巨大的应用潜力。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。黄石低温冷冻透射电子显微镜技术应用

冷冻电镜技术未来之路在何方?除了蛋白等生物大分子外，生物样品还有很重要的一面是细胞和组织。即使是目前有很多重要的蛋白结构都得到了埃米级别的解析，但由于它们都是纯化出来的，已经脱离了原来位置，就如同一片树叶脱离了大树，研究的再深刻，目前也只是一叶遮目，不要说推测这片树叶在森林里的位置，即使是在哪颗特定大树上的生长部位和结构都很难说。因此解析细胞或组织这样大尺度的高分辨精细结构具有更普遍的生物学意义。黄石低温冷冻透射电子显微镜技术应用将冷冻样品保持低温放置在透射电子显微镜下观察，从而获得生物大分子的结构，被称为冷冻电镜技术。

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。

冷冻电镜技术的原理：透射电镜成像过程中，电子束穿透样品，将样品的三维电势密度分布函数沿着电子束的传播方向投影至与传播方向垂直的二维平面上。1968年，AronKlug发现ZX截面定理，提出可以通过三维物体不同角度的二维投影在计算机内进行三维重构来解析获得物体的三维结构。根据这一原理，利用透射电镜获得生物样品多个角度的放大电子显微图像，即有可能在计算机里重构出它的三维空间结构。在冷冻电子显微学结构解析的具体实践中，依据不同生物样品的性质及特点，可以采取不同的显微镜成像及三维重构方法。目前主要使用的几种冷冻电子显微学结构解析方法包括：电子晶体学、单颗粒重构技术、电子断层扫描重构技术等，它们分别针对不同的生物大分子复合体及亚细胞结构进行解析。冷冻电镜技术之冷冻透射电镜是将样品冷却到液氮温度，用于观测蛋白、生物切片等对温度敏感的样品。

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。冷冻电镜技术之冷冻蚀刻电子显微镜优点：样品通过冷冻，可使其微细结构接近于活的状态。黄石低温冷冻透射电子显微镜技术应用

冷冻电镜技术的独特优势：冷冻电镜单粒子法既可以对具有对称结构的大分子进行研究。黄石低温冷冻透射电子显微镜技术应用

冷冻电镜技术中的单颗粒分析法（Singleparticleanalysis,SPA）：单颗粒技术获得投影的具体方法：制备很多具有同样结构的大分子样品，将其进行分散冷冻后进行随机的投影拍照，再通过计算模拟测定角度，对具有相同角度的粒子进行组合，突出其中更特殊、更容易解释的特征。单颗粒冷冻电镜是针对单个粒子进行重构的技术，但我们的研究对象往往是多构象或结构异质的蛋白，颗粒之间存在细微差别，这是一些蛋白质无法获得高分辨结构的重要原因之一。对于结构异质性样品的分析，我们需要首先将样品分成几个同质的子集，然后分别进行三维重建。由于单颗粒分析法理论成像分辨率更高，尤其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，因此得到了更普遍的应用。单颗粒分析法的研究对象可以是具有某种对称性的颗粒，也可是不具有任何对称性的蛋白分子或复合体，尤其是针对核糖体的表征。黄石低温冷冻透射电子显微镜技术应用

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