冷冻电镜技术的发展、现状与未来

作者: 黄岚青、刘海广

来源: 《物理》2017年第2期

发布日期: 2017-10-04 18:21:57

2017年诺贝尔化学奖授予三位科学家,以表彰他们发展了冷冻电子显微镜技术,该技术已成为研究生物大分子结构与功能的重要手段。近年来,冷冻电镜技术在样品制备、电子探测技术和计算能力方面取得了显著进步,使其在生物分子结构研究中具有更高的分辨率和应用潜力。

2017年诺贝尔化学奖揭晓,冷冻电镜技术获奖。瑞典皇家科学院宣布将2017年度诺贝尔化学奖授予三位科学家,瑞士科学家Jacques Dubochet,美国科学家Joachim Frank,英国科学家Richard Henderson,以表彰他们发展了冷冻电子显微镜技术,以很高的分辨率确定了溶液里的生物分子的结构。

在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术,就叫做冷冻电子显微镜技术,简称冷冻电镜。冷冻电镜是重要的结构生物学研究方法,它与另外两种技术:X射线晶体学和核磁共振一起构成了高分辨率结构生物学研究的基础,在获得生物大分子的结构并揭示其功能方面极为重要。

电子显微三维重构技术起源于1968年,D.J. De Rosier和Aaron Klug在Nature上发表了一篇关于利用电子显微镜照片重构T4噬菌体尾部三维结构的著名论文,提出并建立了电子显微三维重构的一般概念和方法。Aaron Klug本人也因为这个开创性的工作获得了1982年的诺贝尔化学奖。

为了降低高能电子对分子结构的损伤,Kenneth A. Taylor和Robert M. Glaeser于1974年提出了冷冻电镜技术,并且用于实验研究。经过三十多年的发展,冷冻电镜技术已经成为研究生物大分子结构与功能的强有力手段。

在最近几年,冷冻电镜技术有了革命性的进步,主要得益于三个方面的突破。首先是样品制备,通过利用薄膜碳层甚至石墨烯可以用更薄的冰层包裹分子样品来提高信噪比。第二个突破是电子的探测技术,也就是电子探测器的发明。第三个突破是计算能力的提高和软件算法的进步。

冷冻电子显微镜技术已经发展成为一个成熟的方法,应用于各种复杂的生物分子体系的高分辨结构研究。按照目前的发展势头,解决生物分子结构组的问题已经不是遥不可及的了。在解决单一静态结构的基础上,冷冻电镜也展示了其研究多构象体系的潜力。

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