东莞单颗粒冷冻电镜技术原理

冷冻电镜技术助力快速、高效的新药研发：分子生物学兴起后，基于靶点的药物发现逐渐成为主流新药研发模式。通常通过结构生物学方法获得靶点及靶点-受体相互作用的结合位点。将靶点结构和结合位点作为模型进行虚拟筛选，并通过高通量的方法获得可能结合的潜在分子，并进一步通过结构生物学方法直接解析靶点-潜在分子的高分辨率结构，进行潜在分子的确认。冷冻电镜“分辨率改变”使其成为获得优于3Å结构的常规技术。高分辨率的结构能够清晰地描绘靶点与潜在分子相互作用的信息，包括结合表位、配体手性等，为潜在化合物的结构改造提供了指导。新的疾病或者突发流行病需要进行从头药物设计研究，这些应对性的药物研发需要有大量基础研究的积累。冷冻电镜技术既完美契合了结构生物学的基础研究，又能够助力加速基于结构的药物研发。冷冻电镜技术之冷冻透射电镜通过对样品的冷冻，降低电子束对样品的损伤，从而得到更加真实的样品形貌。东莞单颗粒冷冻电镜技术原理

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。东莞单颗粒冷冻电镜技术原理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。

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。

冷冻电子显微镜技术之样品成像：低剂量辐照成像，普通的样品材料在进行TEM表征时，电子剂量越高，成像质量越好。但生物样品受到的辐照损伤却是和累积的辐照总剂量相关的。更详细一点说，随着辐照剂量的增加，辐照损伤对高分辨细节的破坏更严重。因此，为了尽可能地获得更多的细节，就必须要对样品采用用低剂量辐照成像。在冷冻电镜技术中，常用的低剂量辐照成像法有两种：冷冻电子断层扫描法，单颗粒分析成像法。冷冻电镜技术中的电子断层扫描技术（cryogeniccomputedtomography）：进行断层扫描时，样品被连续不停地旋转，并在每个旋转角度上都进行一次成像。每一幅电子显微像是物体在不同投影方向的二维投影像,经傅立叶变换会得到一系列不同取向的截面，当截面足够多时，会得到傅立叶空间的三维信息，再经傅立叶反变换便能得到物体的三维结构。虽然冷冻电镜技术属于前沿技术，但目前已经有利用冷冻电镜基于结构研发的药物进入临床试验。

冷冻电镜技术的仪器结构：冷冻电子显微镜的仪器结构与透射电子显微镜的基本结构相似，只是在进样之前搭载了液态乙烷罐与冷冻仓，保证在样品快速冷冻后能够即刻转移至样品仓内。冷冻室：在实际操作中，向液态乙烷中投入样品时，乙烷会在样品周围快速沸腾，形成绝缘气态膜，减慢向低温液体的热传递，称为莱顿弗罗斯效果好应。因此要使厚度超过几微米的样品中的水以足够高的冷却速度产生非晶冰非常困难。冷冻室中加入旋转叶片真空泵将冷冻剂泵入，可以提高冷却速度。冷冻电镜技术之冷冻透射电镜优点：透镜多，光学性能好。冷冻透射电镜技术特点

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。东莞单颗粒冷冻电镜技术原理

冷冻电子显微镜技术步骤之样品制备：用于冷冻电镜研究的生物样品必须非常纯净。生物样品是在高真空的条件下成像的，所以样品的制备既要能够保持本身的结构又能抗脱水、电子辐射。现在普遍采用的方法是通过快速冷冻使含水样品中的水处于玻璃态，也就是在亲水的支持膜上将含水样品包埋在一层较样品略高的薄冰内。冰的结构多种多样，包括六角形冰、立方体冰等，其物理状态与冷冻速率有关。若要形成玻璃态(即无定形态)的冰，需要冷冻速率达到每秒钟104摄氏度。此时，冰的结构呈现各向同性，不会因成像角度不同而导致图像产生偏差。该方法有两个步骤:一是将样品在载网上形成一薄层水膜:二是将第步获得的含水薄膜样品快速冷冻。在多数情况下，用手工将载网迅速浸入液氮内可使水冷冻成为玻璃态。其优点在于将样品保持在接近生活状态，不会因脱水而变形，同时可以减少辐射损伤。东莞单颗粒冷冻电镜技术原理