冷冻电镜新技术的不断涌现将为蛋白质科学、生物医学及细胞生物学的发展提供更大的机遇。在国家大力倡导新基建的背景下，建设电镜中心等先进产业创新基础设施必将有效推动上海及张江生物蛋白质科学和生物医药产业的快速发展。

文/许文青丛尧王权

冷冻电镜（cryo-electronmicroscopy,cryo-EM）技术是将生物大分子在毫秒时间尺度内快速冷冻在玻璃态的冰中，应用低温透射电子显微镜收集生物大分子的二维投影，并利用三维重构的方法得到大分子三维精细结构的生物物理学技术。作为当前结构生物学领域最为前沿的成像技术之一，冷冻电镜技术已经能够将生物大分子复合体的结构解析能力拓展至原子分辨率水平，特别适用于解析复杂的超大分子复合体的三维精细结构及动态结构，在小分子药物及疫苗的开发中亦显露出巨大的潜力。

年以前（蓝色部分）和当前（黄色部分）冷冻电镜分辨率对比

冷冻电镜技术及其发展历史

蛋白质的三维结构决定了其功能，在冷冻电镜技术发展以前，一般是用重金属盐覆盖目标生物大分子，应用常温负染透射电镜进行观察，分辨率较低。20世纪70年代末期到80年代初，瑞士洛桑大学雅克?杜博歇（JacquesDubochet）教授通过使用液氮冷却的液态乙烷可以在毫秒之内实现生物样品的快速冷冻，制作不形成冰晶体的玻璃态冰包埋的生物样品，样品接近其天然形态，并可有效抵御电子的辐照损伤。美国哥伦比亚大学约阿希姆?弗兰克（JoachimFrank）教授建立了冷冻电镜单颗粒三维重构技术。英国剑桥大学理查德?亨德森（RichardHenderson）教授建立并使用二维电子晶体学技术得到了第一个膜蛋白视紫红质蛋白的三维结构，近年来致力于直接电子探测技术的发展和应用。上述开拓性的工作共同奠定了冷冻电镜技术发展的基础。经历几十年的技术积累和硬件发展，年，随着直接电子探测技术的发展，冷冻电镜技术迎来了“分辨率革命”，经美国科学院外籍院士程亦凡等科学家的努力，解析精度获得了近原子分辨率的突破性进步。年，杜博歇、弗兰克和亨德森这3位科学家也凭借其在冷冻电镜技术建立过程中发挥的开创性作用获得了诺贝尔化学奖。随后，世界范围内掀起了基于冷冻电镜技术的蛋白质结构生物学研究的新热潮，涌现出众多的高水平研究成果，技术本身也进入了软硬件发展的快速迭代通道。由于该技术可直接获得复合体在接近生理条件下的结构，不需要蛋白质结晶，尤其适用于解析极具挑战性的、庞大的、具有一定动态性的生物大分子复合体的精细结构，近年来已成为解析生物大分子三维结构的最重要手段。目前，占据主要位置的单颗粒分析方法（SingleParticleAnalysis，SPA）解析精度已推进到原子分辨率水平（0.12～0.22纳米），成为结构生物学研究的最有力工具，展现出极大的应用潜力。

值得注意的是，与单颗粒分析方法相补充，在更大尺度上冷冻电子断层成像（cryo-ElectronTomography，cryo-ET）技术近几年来随着聚焦离子束（FocusedIonBeam，FIB）减薄技术和相位板等技术的发展，以及光镜-电镜结合实现样品定位等策略的应用，对生物超大分子机器及细胞器等在体原位信息的解析水平也有了极大的提升（局部平均后已经达到亚纳米甚至近原子分辨率水平）。相信冷冻电子断层成像技术将推动细胞生物学中超微精细结构观测及其作用网络分析的革命性进步。

冷冻电镜是生物医药研究的强力发动机

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