冷冻电镜技术原理之单颗粒技术:对分散分布的生物大分子分别成像,基于分子结构同一性的假设,对多个图像进行统计分析,并通过对正、加和平均等图像操作手段提高信噪比,进一步确认二维图像之间的空间投影关系后经过三维重构获得生物大分子的三维结构方法。其适合的样品分子量范围为80~50MD,Zgao分辨率约0.3nm。利用单颗粒技术获得三维重构的方法主要包括等价线方法、随机圆锥重构法、随机初始模型迭代收敛重构等方法,其基本目标是获得二维图像之间正确的空间投影关系,从而进行三维重构。冷冻电镜技术,是一种重要的结构生物学研究方法。湖州冷冻电镜技术特点
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。淮南TEM技术原理冷冻电镜技术能够从分子层面进行详细的研究,解析基于结构的药物研发的分子基础。
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。
冷冻电镜技术揭示生物分子细节:在透射电子显微镜下,高能电子束穿透每一个分子,如同X光穿过人的身体一样,可以拍摄到分子的形貌和它内部的结构信息。科学家们利用计算机将样本里的每一个分子提取出来,把相似的分子予以归类,然后叠加、平均获得其内部结构更为精细的图像,由此得到分子不同方向的二维结构,较后经过计算机三维重构算法,可以得到分子的三维模型。这一过程被称为冷冻电镜三维重构解析。冷冻电镜技术的发展,使得现在的人类可以对细胞内的生命活动有更多了解。未来,科学家将借助冷冻电镜技术继续对复杂生命体的解读。冷冻电子显微镜技术还将普遍应用于细胞组织的超微结构解析,对解开生命活动的规律和机制等产生更大影响。湖州冷冻电镜技术特点
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。湖州冷冻电镜技术特点
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。湖州冷冻电镜技术特点
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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...