武汉生物冷冻透射电子显微镜技术平台

冷冻电镜技术的仪器结构：（1）图像记录系统：收集来自样品的电子信号，在荧光屏上形成图像。（2）电子枪：产生电子束的部分，聚光镜系统负责将电子束聚焦到样本样品上。（3）图像生成系统：由物镜，中间和投影仪镜头以及可移动平台组成。冷冻电镜已经能解析出生物大分子的原子级分辨率（0.2-0.3nm）结构，但是这一结果离物理极限还有较大距离。长久以来，冷冻电镜在结构生物学领域取得了巨大成功，目前，多构象蛋白的三维分类问题和生物大分子的动力学分析依然是充满挑战的研究方向，新型的算法发展也将主要围绕这些问题展开。而作为一种低信号源激发测试技术，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。他山之石，可以攻玉。随着硬件设备与模拟算法的改进，这项带着结构生物化学研究迈入新纪元的技术，未来必定拥有更加广阔的应用前景。冷冻电镜技术将生物分子进行冷冻便可进行高分辨率成像，还具有分辨率高等优势。武汉生物冷冻透射电子显微镜技术平台

冷冻电镜技术解析结构主要风险在：A.样品很不稳定，样品寄送过来的时候，已经降解或者聚集，无法进行后续处理；B.样品在冷冻制样的过程中，可能会被冻碎，从而无法进行后续处理；C.样品纯度可能很好，但是均一度很差，从而难以获得样品的高分辨结构；D.我们关心的区域可能在整个复合体中有很强的柔性，从而经过二维或者三维平均后，我们关心区域的分辨率会比较差甚至看不见，达不到我们的预期；E.一些配体，比如药物前体分子，分子量太小，不一定能在电镜的密度图中观测到；F.对于合适的样品，我们冷冻制样需要优化的参数有很多，包括样品浓度的优化，blottime的优化，温度的优化，grid规格（铜网或者金网）的优化等一系列条件的优化。因此冷冻电镜制样需要丰富的经验和充足的机时支持，不同的实验者，成功率可能差别很大。低温电子显微镜技术服务公司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。

单颗粒冷冻电镜技术的图像处理技术：经过多年的发展，目前冷冻电镜的数据处理部分主要包含了以下的流程：(1)衬度传递函数的修正(CTFcorrection)；(2)样品分子投影数据的筛选(particleselection)；(3)二维投影数据的分类和降噪(2Danalysis)；(4)三维模型的重构和优化(3Dreconstructionandrefinement)；(5)多重构象的结构分析(heterogeneityanalysis)；(6)对重建结构分辨率的分析(structureresolutionassessment)；(7)结合生物化学原理和实验数据对三维结构的解读(modelinterpretationandvalidation)。

冷冻电镜技术也正在成为助力医药研发的有力手段。依托对蛋白质结构的理解，科学家正在开发更有效的治Ca药、打菌素、止痛药、麻醉剂等。中国过去10多年里，建成了世界上较大的冷冻电镜设施。中国的科学家，也在冷冻电镜领域取得了很多举世瞩目的成就，引起了世界的普遍关注。比如清华大学的施一公团队，对老年痴呆症相关的重要蛋白质结构进行了解析，对于我们理解它的发病机理甚至开发重要治疗方法有重要意义。他们对剪接体复合体一系列结构的研究帮助我们理解细胞的演化、细胞的基因调控和其他一些相关疾病有着重要意义。2019年，中国科学家利用冷冻电镜技术解析到世界上目前分辨率较高的猪瘟病毒结构，这对我们了解该病毒的发病机理，以及如何更好开发疫苗具有重要意义。冷冻电子显微镜技术步骤样品制备注意：用于冷冻电镜研究的生物样品必须非常纯净。

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。冷冻电镜技术助力快速、高效的新药研发。福州透射电子显微镜技术服务中心

冷冻电镜技术的独特优势：更接近天然状态，不需要蛋白质结晶。武汉生物冷冻透射电子显微镜技术平台

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。武汉生物冷冻透射电子显微镜技术平台

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