冷冻电镜技术基本原理之电镜三维重构理论:D.DeRosier和A.Klug提出三维重构理论是借助一系列沿不同方向投影的电子显微像来重构被测物体的立体构型,利用计算机数字图像处理技术进行电子显微像三维重构测定生物大分子结构的概念和方法。透射电子显微镜成像过程中,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。运用中心截面定理,从而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。基于结构的药物设计已经逐渐成为药物开发设计的主流,与此同时冷冻电镜技术也在蓬勃发展。广州冷冻电镜单颗粒技术方案
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。广州冷冻电镜单颗粒技术方案冷冻电镜技术使生物分子成像,变得更加简单,把生物化学带入了一个新纪元。
冷冻电镜技术近年来获得了迅猛的发展,取得了许多具有重大意义的成果。冷冻电镜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、更接近天然状态、适用研究对象普遍等优势。同时,系统地综述了冷冻电镜技术在科学研究中的应用,并展望冷冻电镜技术未来的发展。冷冻电镜(cryo-electronmicroscopy,cryo-EM)技術,是在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术,即把样品冷冻并保持低温放进显微镜里面,用高度相干的电子作为光源从上面照射,透过样品和附近的冰层,受到散射,再利用探测器和透镜系统把散射信号成像记录下来,较后进行信号处理,得到样品的结构。
冷冻电子显微镜技术中电子断层扫描重构技术:电子断层扫描技术是从一个物体的投影图像重构获得物体内部结构的技术,通过获取同一物体的多个连续角度下的二维投影图来反向重构它的三维结构。简单地说,电子断层扫描技术就是将一个物体(样品)沿着一个与电子束垂直的轴旋转,每旋转一个角度,采集这个物体在相对应方向上的二维投影像,通过对这些二维投影图的处理(相互配准),将不同角度的二维投影图反向重构(如加权背投影等方法),获得样品整体三维结构的技术。电子断层成像适合于在纳米级尺度上研究不具有结构均一性的蛋白、病毒、细胞器以及它们之间组成的复合体的三维结构。与电子晶体学和单颗粒技术相比,这种技术无需样品颗粒具有结构同一性,也不强调样品具有一定的对称性。因此,虽然目前电子断层成像所获得的结构的分辨率(约4~10纳米)不能与以上两种技术相比,但其在研究非定形、不对称和不具全同性的生物样品的三维结构和功能中有着不可替代的作用。冷冻电镜技术可实现直接观察液体、半液体及对电子束敏感的样品,如生物、高分子材料等。
冷冻电镜技术:随着技术的不断进步和人类对于生命科学领域知识的不断积累,药物研发越来越走向理性化,包括法规体系的建立和优化、药品质量控制模式的变迁走向QbD阶段。基于结构的药物设计已经逐渐成为药物开发设计的主流,与此同时冷冻电镜技术也在蓬勃发展。冷冻电镜单颗粒分析技术和微晶电子衍射技术不只能解析近原子分辨率的结构,而且能解析传统结构生物学无法解析的结构,帮助确认药物靶点,拓展可用药物靶点的研究范围和完善基于靶点结构的药物设计。冷冻电子断层扫描技术在不久的未来可能提供细胞原位观察药物与靶点的作用。冷冻电镜技术主要应用在单个蛋白质分子结构的分析方面。十堰快速冷冻显微镜技术服务中心
冷冻电镜技术之冷冻透射电镜是将样品冷却到液氮温度,用于观测蛋白、生物切片等对温度敏感的样品。广州冷冻电镜单颗粒技术方案
冷冻电镜技术之冷冻扫描电镜:扫描电镜工作者都面临着一个不能回避的事实,就是所有生命科学以及许多材料科学的样品都含有液体成分。很多动植物组织的含水量达到98%,这是扫描电镜工作者比较难对付的样品问题。冷冻扫描电镜(Cryo-SEM)技术是克服样品含水问题的一个快速、可靠和有效的方法。这种技术还被普遍地用于观察一些“困难”样品,如那些对电子束敏感的具有不稳定性的样品。各种高压模式如VP、LVESEM的出现,已允许扫描电镜观察未经冷冻和干燥的样品。但是,冷冻扫描电镜仍然是防止样品丢失水分的Z有效方法,它能应用于任何真空状态,包括装于扫描电镜的Peltier台以及向样品室内冲以水汽的装置。冷冻扫描电镜还有一些其他优点,如具有冷冻断裂的能力以及可以通过控制样品升华刻蚀来选择性地去除表面水分(冰)等。广州冷冻电镜单颗粒技术方案
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