冷冻电子显微技术主要包括单颗粒冷冻电镜技术和冷冻电子断层扫描技术。单颗粒冷冻电镜技术首先捕获大量随机分布的同一种生物样品的二维图像,然后通过图像处理算法解析其三维结构。近年来,随着冷冻电镜设备和计算机软硬件的快速发展,特别是随着直接电子探测器在冷冻电镜中的应用,单颗粒冷冻电镜技术迈进了原子分辨率水平,在生物学、医学和新药研发等领域发挥着越来越重要的作用。冷冻电镜通过记录单个生物样品在倾斜旋转过程中投影的一系列二维图像,采用特殊的算法计算,将二维图像重构为三维断层图像。冷冻电镜主要研究组织、细胞和微生物中的超微结构,它能够提供生理环境下大分子复合物纳米、亚纳米甚至近原子尺度的原位结构信息以及其与其它大分子的相互作用信息。冷冻电镜技术之冷冻透射电镜优点:样品台稳定;第四是全自动,自动换液氮,自动换样品,自动维持清洁。芜湖冷冻透射电镜技术服务
冷冻电子显微技术学解析生物大分子及细胞结构的中心是透射电子显微镜成像,包括样品制备、图像采集、图像处理及三维重构等几个基本步骤。三维重构:数据处理的较终目的是为了获得生物样品的三维质量密度图,由二维图像推知三维结构的方法即三维重构。其理论原理是在1968年由DeRosier和Klug提出的中心截面定理:一个函数沿某方向投影函数的傅里叶变换等于此函数的傅里叶变换通过原点且垂直于此投影方向的截面函数。由于样品性质的不同,图像分析的方法也有差异。黄山低温电子显微镜技术原理冷冻电镜技术将在研究对象、分辨率水平和研究方法等各个方面取得重大进展。
冷冻电镜技术的独特优势:1、更接近天然状态:电子断层成像技术则可用来研究一定厚度的亚细胞器在天然状态下的内部结构,不需要蛋白质结晶。2、适用研究对象普遍:冷冻电镜单粒子法既可以对具有对称结构的大分子进行研究,也适合于研究结构不规则的大分子复合物,对于分子量的上限没有限制,理论上>100kD的分子在成像技术能够保证的情况下可以形成足够的对比以进行图像校正。冷冻电镜技术作为一种重要的结构生物学研究方法,它与X射线晶体学、核磁共振一起构成了结构生物学研究的基础。
冷冻电子显微镜技术在20世纪70年代时提出,经过近10年的努力,在80年代趋于成熟,近年来已经进入了快速发展的时期。它的研究对象非常普遍,包括病毒、蛋白、肌丝、蛋白质核昔酸复合体、亚细胞器等。一方面,冷冻电微镜技术所研究的生物样品既可以是具有二维晶体结构的,也可以是非晶体的;而且对于样品的分子量没有限制。因此,很大程度突破了X-射线晶体学只能研究三维晶体样品和核磁共振波谱学只能研究小分子量(小于100KD)样品的限制。另一方面,生物样品是通过快速冷冻的方法进行固定的,克了因化服学固定、染色、金属镀膜等过程对样品构象的影响,更加接近样品的生活状态。冷冻电镜技术,是用于扫描电镜的很低温冷冻制样及传输技术。
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。冷冻电镜技术能够揭示生物分子细节。深圳生物冷冻透射电子显微镜技术应用
冷冻电镜技术采用的快速冷冻技术关键在于“快速”。芜湖冷冻透射电镜技术服务
冷冻电镜技术的仪器结构:冷冻电子显微镜的仪器结构与透射电子显微镜的基本结构相似,只是在进样之前搭载了液态乙烷罐与冷冻仓,保证在样品快速冷冻后能够即刻转移至样品仓内。冷冻室:在实际操作中,向液态乙烷中投入样品时,乙烷会在样品周围快速沸腾,形成绝缘气态膜,减慢向低温液体的热传递,称为莱顿弗罗斯效果好应。因此要使厚度超过几微米的样品中的水以足够高的冷却速度产生非晶冰非常困难。冷冻室中加入旋转叶片真空泵将冷冻剂泵入,可以提高冷却速度。芜湖冷冻透射电镜技术服务
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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(modelinte...