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Science重磅：Moorfield薄膜，助力冷冻电镜研究

2021-12-21 15:09:16 0 522

研究背景

冷冻电镜是电子显微镜技术的衍生技术，其工作原理是将蛋白质保存在非常薄的液体层中，然后将它们冷冻。通过电子枪以光速发射电子穿过样本，然后一个专门设计的相机捕获电子以形成图像。冷冻电镜技术的发展始于1970年代，雅克·杜波切教授与其小组在欧洲分子生物学实验室通过将样本水溶液施加到网格上并在液态乙烷或者丙烷下将样本快速冷冻，于1981年末两位科学家阿拉斯代尔·麦克道威尔和雅克·杜波切首次报告了冷冻电镜成功观测到的结果，并最终掌握了冷冻方法。与此同时，约阿希姆·弗兰克教授与其研究小组则为冷冻电镜的三维重构技术奠定了基础。冷冻电镜有两项强大功能，一是“万物皆可冻”，只要有需求，不论是生物组织、还是病毒、大分子等都可以通过冷冻电镜观察样本；二是通过冷冻电镜的三维重构可以很好地观察到样本的结构信息。2013年，加州大学旧金山分校的程亦凡教授和合作者利用冷冻电镜技术实现了对膜蛋白结构的近原子级解析，这一工作曾被认为是冷冻电镜难以逾越的障碍，开启了冷冻电镜的新时代。冷冻电镜在微观领域的突破也让雅克·杜波切、约阿希姆·弗兰克和理查德·亨德森三位深耕冷冻电镜技术的科学家共同获得2017年的诺贝尔化学奖。2020年，冷冻电镜达到原子分辨率入选《Nature》公布 2020 年十大科学发现。近年来，国内冷冻电镜事业进入高速发展时期。

研究内容

尽管目前冷冻电镜在以前许多难以解决的大分子复合物的结构方面取得了成功，但仍存在一些突出的问题。其中电子束辐照开始时，样品分子的移动会降低图像质量，减少有关未损坏结构的信息。因此，当前冷冻电镜确定的所有结构都具有不同程度的辐射损伤，并将其纳入了所产生的原子模型中。另外冷冻电镜可以确定生物分子高分辨率的结构，但在实际操作中样品处理相对有限。许多样品中的结构异质性，以及在试样制备过程中表面的不可重复性和破坏性的相互作用，进一步阻碍了冷冻电镜的快速结构测定。其中冷冻电子显微镜（cryo-EM）的大部分信息损失来自于成像过程中不为人知的粒子移动。研究表明，这种运动是由玻璃态的水膜弯曲和变形造成的，其阈值直接取决于支撑架所设置的玻璃态水膜的形状。基于此英国剑桥大学Christopher J. Russo教授研究组提出了一个关于冷冻电镜样品在玻璃态水膜中成像过程中移动的物理理论，并利用这项理论设计了一个样品支架，用高质量的薄膜生长与加工技术制备了用于冷冻电镜样品制备的“HexAuFoil”金属网，该金属网使得冷冻电镜观察生物大分子样品时样品的位置漂移小于1埃米，进一步提高了冷冻电镜的成像质量，该结果刊登在2020年10月的Science杂志上。

图文速递

图1.在一定的箔孔尺寸范围内，金纳米粒子在玻璃态冰中的运动

图2.玻璃态冰薄膜在冷冻过程中的应力积累模型，以及它们对电子辐照的响应。

图3.利用“HexAuFoil”金属网的冷冻电镜观测结果

图4.零电子暴露下使用260纳米的空隙样品支架以<2埃的分辨率确定饥饿期间的DNA保护蛋白的结构。

结论

这里描述的试样支架将粒子在低温微观图中的运动减少到伪扩散所设定的极限，平均小于一个氢原子的直径。这允许以1.9埃的分辨率重建一个完整的无损伤结构图。我们注意到，试样与空气/水界面的相互作用仍然是低温电镜试样制备的一个限制因素，并且可能是决定项目成功的主导因素（图S22D）。有以下几种方法被用来解决这个问题，包括增加一个表面，如功能化石墨烯和减少冷冻前与表面相互作用的时间，这两种方法都与所述的支架兼容。目前的工作重点是将长宽比小的六边形图案与其他现有技术结合起来，并按规模制造这些设备。无运动成像也将允许观测辐射损伤的二次效应可能比液氮温度下进一步减少的冷冻显微镜（接近0K），从而提供更多的图像对比。通过不断改进，冷冻电镜将继续迅速扩大我们对生物分子的结构和功能的理解。

文献

文献链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abb7927

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