汕头单颗粒冷冻电镜技术平台

单颗粒冷冻电镜技术：生物大分子快速冷冻后，在低温下利用透射电子显微镜对结构均一、分散的全同样品颗粒进行成像，再经图像处理及重构计算获得样品的三维结构。可研究生物大分子在溶液中的结构及构象变化、无需结晶、所需样品量相对较少，适合于蛋白质、病毒等生物大分子及其复合物的结构生物学研究。样品制备：可以根据样品、电镜载网和其他使用条件，摸索合适的单颗粒样品制备条件，纯化、收集浓度范围从几微升50nM至5uM浓度的蛋白溶液来制备单颗粒电镜样品。在-196℃时，组织中的生物大分子能够长期保持稳定性、细胞活性及组织微观结构，同时，在低温下，生物样品耐受电子辐照剂量增强，且其在电镜镜筒的高真空环境中脱水变形的问题也得以解决。Vitrobot和EMGP2均能够提供快速、简单、可重复的安自动化样品玻璃化制备过程，其在恒定的物理和机械条件下（如温度、相对湿度、吸湿条件和冷冻速度）对样品进行冷冻固定确保生物样品在低温状态下仍保持天然构象。冷冻电镜技术之冷冻透射电镜通常是在普通透射电镜上加装样品冷冻设备。汕头单颗粒冷冻电镜技术平台

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。连云港冷冻电子显微镜技术服务中心冷冻电镜技术也正在成为助力医药研发的有力手段。

冷冻电镜技术是什么呢？冷冻电镜用于生物样品三维结构解析，包含单颗粒分析、微晶电子衍射和冷冻电子断层扫描3种技术。冷冻电镜单颗粒分析技术（cryo-EMSPA）是一种以单颗粒形式分析生物分子组装的新方法，通过将负染电镜筛选获得的合适浓度的生物分子样品快速冷冻，使生物大分子以近天然状态存在于无定形冰中，然后进行冷冻样品的筛选、数据收集和三维结构解析，从而获得高分辨率的生物分子结构。冷冻电镜单颗粒分析技术能够从分子层面进行详细的研究，解析基于结构的药物研发的分子基础，而冷冻电子断层扫描能够从亚细胞水平观察目标分子在原位细胞环境中的作用位点和作用机制，相信在不久的将来能够用于进一步确认基于结构的药物研究的可靠性。微晶电子衍射不只能够进行小分子微晶结构解析，也可与现有技术互补，进行生物大分子及其复合物的微晶结构解析。

冷冻电子显微技术的发展与完善经历了复杂而艰辛的探索，下面，我们将深入解析冷冻电子显微镜的工作原理、流程与仪器结构，揭开它的庐山真面目。样品制备：样品快速冷冻技术：样品的原位冷冻固定处理是低温电子显微镜标本制备的开始。冷冻电镜采用的快速冷冻技术关键在于“快速”。这是由于：采用常规冷冻手段，水分子会在氢键作用下形成冰晶，一来会改变样品结构，二来在成像过程中，冰晶体会产生强烈的电子衍射掩盖样品信号。而当冷冻速率足够快时，水分子在形成晶体之前就会凝固成无定形的玻璃态冰，具有非晶态特性，保证了在电子束探测成像的过程中不会对样品成像造成干扰。冷冻固定时，样品首先放置在由液氮冷却的容器中，随后被快速浸入液态乙烷中。采用液态乙烷作为冷冻剂的目的是为了使冷冻速率足够快，在冷冻过程中，样品将以每秒104至106K的速度被快速冷却。生物样品中的水被玻璃化冷冻后，样品结构就得到了保持和固定，同时玻璃化冰也不会在真空环境中挥发，在一定程度上保护了样品免受电子辐射的损伤。冷冻电镜技术的独特优势：它与X射线晶体学、核磁共振一起构成了结构生物学研究的基础。

单颗粒冷冻电镜技术样品的筛选和数据采集：在开始高分辨数据采集前，可以利用冷冻电镜先对样品质量进行评估，包括但不限于蛋白浓度、稳定性和分布，冰层厚度、质量和载网各处的均一性等的检查。用户可以在120kV电镜或200kV电镜上进行此筛样过程。待到样品通过筛选，用户可以利用300kV或200kV电镜采集更大的数据量来帮助开展2D和3D分析。200kV-TalosArctica透射电镜配备了直接电子探测相机FalconIII,在样品质量较高时，较高可以获得<3Å的数据。目前的300kV-TitianKrios透射电镜有两套，其中一台配备了目前行业前列的K3直接电子探测相机，另一台配备有K2相机和能量过滤器，两套电镜均能够进行全自动、长时间无人照看的数据收集操作，可实现样品的大规模数据采集，并获得极高分辨率的结构信息。收集得到数以万计的单颗粒物照片后，用户可以使用平台集群已安装的常用三维重构计算软件以及相关生物软件对数据集进行计算处理。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。汕头单颗粒冷冻电镜技术平台

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。汕头单颗粒冷冻电镜技术平台

冷冻电镜技术之冷冻蚀刻电子显微镜：冷冻蚀刻电镜技术是从50年代开始发展起来的一种将断裂和复型相结合的制备透射电镜样品技术，亦称冷冻断裂或冷冻复型，用于细胞生物学等领域的显微结构研究。冷冻蚀刻电镜的优点：①样品通过冷冻，可使其微细结构接近于活的状态;②样品经冷冻断裂蚀刻后，能够观察到不同劈裂面的微细结构，进而可研究细胞内的膜性结构及内含物结构;③冷冻蚀刻的样品，经铂、碳喷镀而制备的复型膜，具有很强的立体感且能耐受电子束轰击和长期保存。汕头单颗粒冷冻电镜技术平台