新闻 | 冻电镜技术未来之路在何方?

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• 时间：2017-12-06 10:54

2017年诺贝尔化学奖授予了理查德·亨德森（Richard Henderson）、约阿希姆·弗兰克（Joachim Frank）和雅克·杜博歇（Jacques Dubochet），表彰他们在冷冻电镜技术的发展上做出的贡献。

他们将冷冻电镜技术简化，并将其应用在生物分子成像方向，打破了长期以来解析蛋白必须依靠传统X射线晶体学（X-raycrystallography），核磁共振(NMR)的手段，使我们在近期内很有可能获得原子级别分辨率下的生命复杂机制的详细图像。（图片来源：Martin Hogbom）

其中，尤其值得一提的是杜博歇教授的工作: 他将少量蛋白溶液滴加到铜网上，迅速插入到用液氮冷却的液态乙烷中，使蛋白颗粒迅速被制冷的玻璃态的冰所包裹，zui大程度上保存了蛋白颗粒的真实原始状态，得到了高质量的冷冻电镜样品，从而大大推动了冷冻电镜的推广。

既然冷冻样品制备如此重要，有没有仪器可以提高我们实验的重复性和成功率呢？

有！那就是我们徕卡的载网投入冷冻仪GP。Leica EM GP设计用于冷冻电镜样品前处理，用于制备玻璃化的液态样品。如病毒颗粒，蛋白质及其他细胞组分等的样品悬液。

冷冻电镜技术未来之路在何方? 
Celluar CryoEM

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。即使目前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，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广泛的生物学意义。

那我们对于它们的制样手段研究进展如何？

这又不得不提这次诺奖的杜博歇教授。他不仅建立了单颗粒冷冻制样技术，同时也在细胞组织层面做出了突出的贡献，尤其是CEMOVIS(Cryo-Electron Microscopy Of VItreous Sections)的发展和逐渐完善，实现了近生理状态的细胞组织的原位观察。CEMOVIS没有化学固定，没有染色，也没有生物成分的聚集；保持了生物体内水分的原位，玻璃态的固定。应用CEMOVIS得到的电镜图片看起来和常规制样图片有很大不同：结构更平滑均质，细节更多更明显。那么它的技术路线是什么呢？高压冷冻+冷冻切片+冷冻电镜。杜博歇教授初期的工作就有用徕卡的EM PACT（徕卡*代高压冷冻仪）对样品进行冷冻，用FCS Ultracut S cryomicrotome（徕卡早期冷冻切片机）进行冷冻切片，zui后在冷冻透射电镜下观察（见下图）。

作为高压冷冻领域的，徕卡迄今已经发展到第三代高压冷冻仪-ICE(Innovative Cryo-fixation Equipment)。高压冷冻仪是通过液氮制冷，通过空气压缩机提供压力来源，通过物理原理可使局部压强达到2100拔，从而实现对含水样本的高压冷冻固定, 冷冻固定后样品经后续处理（冷冻替代/常温超薄切片，冷冻超薄切片或冷冻断裂等）供电子显微镜观测。

高压冷冻仪能在毫秒级别内zui大程度地保存样品生活状态的原始真实信息，蛋白质结构、酶/抗原活性无变化，可溶性离子及小分子得到有效固定等等，有效避免了常规化学固定带来的假象。

除了可以结合冷冻切片，完成CEMOVIS的工作外，它还可以结合冷冻断裂，冷冻替代等来观察样品的内部超微结构或进行免疫学的相关工作。除此之外，它还可以结合光刺激和电刺激，为神经生理学家打开了一扇新的大门。

现在，冷冻制样逐渐深入人心，那冷冻好的样品，经过处理，能否在光镜下同时实现其功能的探究呢？
徕卡EM Cryo CLEM（Cryo Correlative Light Electron Microscopy）冷冻光镜电镜联用系统，实现保持样品原生状态下的光镜和电镜d图像关联分析，对同一样品位置集荧光显微图像与高分辨率电镜图像于一体。

它的主要技术路线是： 通过冷冻制样技术（高压冷冻，保存样品zui原始的亚细胞结构信息），制备得到冷冻超薄切片（或通过投入冷冻技术冷冻样品），之后借助冷冻光镜观察荧光标记位置，记录感兴趣的位置，然后在冷冻TEM中实现原位电镜观察，从而实现光镜电镜联用技术。

备注：高压冷冻和冷冻超薄切片，用于冷冻固定组织样品，例如侵染有病毒的组织样品。投入冷冻EM GP，用于冷冻单颗粒病毒大分子，或蛋白质大分子颗粒。

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