最新的显微技术使研究人员一探细胞内部的奥秘，解密细胞错综复杂的精美结构。在2017年有几周时间，Wanda Kukulski对一种独特的影像着了迷：细胞内部视频。这是用冷冻电子断层扫描技术（cryo-ET）制作的视频，让研究人员能以高分辨率观察细胞内蛋白质。在这些视频里她能看到种种奇观，比如细胞内部的运作和区室等，详细程度前所未有。
近些年，类似cryo-ET的成像技术已使科学家们开始能观察生物分子在其原始环境中的样子。这类技术不同于以往的方法，不需要把单个蛋白质分离后再研究，而是整体地观察蛋白质等分子和其所处细胞的环境。虽说这类技术仍有不足，比如有些研究人员认为cryo-ET的分辨率还是太低，确定分子的把握不大；但这种技术正日益受青睐，也越来越先进。
使用这类技术的研究人员，不仅沉迷于它获取的精美图片，而且惊讶于它揭示的那些秘密——比如细菌用于感染细胞的把戏，或突变蛋白如何导致了帕金森等神经退行性疾病。
冷冻电子断层扫描等相关技术，极富细节地展现了细胞内部结构。图源：S. Albert et al./PNAS (CC BY 4.0)
几十年来，研究人员都依靠X线晶体成像技术观察蛋白质、病毒及其他生物物质。
这种技术需要诱导分子形成静态有序的晶体结构，然后用强X射线轰击样品。X线晶体成像技术使人们发现了DNA螺旋结构和10万余个蛋白质结构，但它有自己的缺点：分子晶体化过程困难、冗长，而且有些时候不可能实现。使用冷冻电子显微镜（cryo-EM）技术，科学家克服了这些缺点。这种技术显示的是分离、冷冻后的生物分子结构。cryo-EM的样品会经电子束照射。
一开始这种技术产生的图像过于模糊而被嘲笑是“一坨成像”（blobology），但后来样品准备和图像处理算法的进步提高了分辨率，使其足以观察单个原子（约1.2埃，即1.2 × 10–10大小，参见：打开全新“视”界：冷冻电镜成像技术首达原子分辨率）。
cryo-ET和cryo-EM一样，都需要电子显微镜，并且依赖于同一种样品准备方法：玻璃化，即快速冷却样品周围的水分，样品冷冻后形成玻璃态而非冰晶体。
但与cryo-EM的不同之处在于，传统冷冻电镜需要纯化样品，而研究人员能用cryo-ET拍摄分子原位图像（伴周围环境）。上图为cryo-ET观察得到的海藻细胞内部结构，图示内质网（黄色），功能为合成蛋白质；高尔基体（Golgi apparatus）的囊袋（绿色、紫红色），修饰和装配转运蛋白；囊泡（小的圆形结构，多种颜色示），运输蛋白。
图源：Y. S. Bykkov et al./eLIFE (CC BY 4.0)
科学家可用cryo-EM合成三维图像，通过先拍摄孤立分子不同构型的二维图像，再进行合成。但有了cryo-ET，他们就能多角度拍摄单块富分子材料，这样一来，分子的周围环境便可保持完整。这就像给一群人拍集体照而不是给一个人拍大头照。所以马克斯·普朗克生物化学研究所的生物物理学家Wolfgang Baumeister和同事给cryo-ET起了个绰号，叫它“分子社会学”。他是这项技术的先驱之一。
电子断层成像技术（即用电子显微镜从几个角度给一份样品成像）本身早在20世纪60年代就有了，但直到90年代，这种技术才开始显出价值。一个难题是，电子束极为损伤生物样品，所以很难用它拍到足够多的快照以获取清晰干净的图像。科学家们用最新的样品切片处理技术和计算方法，现在已经让图像清晰多了。例如，冷冻聚焦离子束（cryo-FIB）减薄技术，就能把样品切到极薄，称为薄层片（lamellae）。
但是，使用cryo-ET高昂成本和技术要求（特别是联用离子减薄这类技术的情况下）让很多实验室望而却步，Baumeister说。
科学家们希望，今后能用这种方法观察药物在细胞分子内部的作用方式，深入理解各种疗法的起效方式。Julia Mahamid在德国海德堡欧洲分子生物学实验室工作，在一个初期展示中，她的团队成功看到了细菌细胞内抗生素结合核糖体的过程——核糖体是细胞内的蛋白质车间。这项成就要归功于cryo-ET的分辨率被提高到了3.5埃。
虽然cryo-ET领域发展迅猛，但是这项技术仍有很多局限。分辨率不够还是个大问题。虽然细节度近年来大幅提高，但是cryo-ET还达不到cryo-EM那样原子水平的分辨率。完整细胞切成薄片后，在超高分辨率显微镜的图像。图源：Janelia Research Campus HHMI
为了弥补这个缺点，Harald Hess这样的科学家另寻他法，即使用超高分辨荧光显微镜联合电子显微镜共同观察完整细胞。Hess是美国霍华德·休斯医学研究中心珍妮莉亚研究园区的生物物理学家。他的团队用上述方法，得到了多种细胞组分互作的清晰图像。本月早些时候发表的文献中，研究人员证实用机器学习（人工智能的一种形式）辅助确定多个样品中的细胞组分，能描绘多达35种细胞器的组织。
其他研究人员在做cryo-ET和X射线断层扫描技术的联合，来拍摄完整细胞的图像。这种组合让科学家们能观察稍大的细胞组分，比如线粒体、核仁的结构，继而放大观察他们感兴趣的特定区域。但是，联合使用这些方法，耗资大、技术要求高。除了这两点外，两项技术都会用破坏性射线强烈照射样品。这让在二者间转移样品变得很困难，Eva Pereiro说。
他是一名在西班牙巴塞罗那ALBA同步辐射光源站工作的束线科学家，该站可生产适用于断层扫描的X射线。
某些实验室已经实现了样品转移。Maria Harkiolaki是英国迪考特市同步辐射光源站“钻石”光源的首席束线科学家。她的团队最近发表了新型冠状病毒（SARS-CoV-2）感染机制的模型，解析这一过程用的就是cryo-ET联合X线断层扫描技术。他们在细胞和单分子两个水平都拍摄了病毒感染过程，并提出了病毒在灵长类细胞内复制过程的假设。
Baumeister认为，cryo-ET会跟cryo-EM一样，最终能让科学家在原子水平上观察生物分子。在此之前，科学家会持续热忱地研究cryo-ET等类似方法显示的细胞内图景。因为这些工具能揭示前所未见的结构，所以研究人员常常有新的谜题需要解决。