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冷凍電鏡應用廣闊 助力生物研究取得突破
[2018/8/6]
冷凍電鏡技術用于掃描電鏡的超低溫冷凍制樣及傳輸，可直接觀察液體、半液體以及對電子束敏感的樣品。樣品經過超低溫冷凍、斷裂、鍍膜制樣等處理，通過冷凍傳輸系統放入電鏡內的冷臺進行觀察，不會影響到樣品本身結構。
2017年10月，三位科學家因冷凍電鏡技術獲得了諾貝爾化學獎，此后，這一技術獲得了更多研究人員關注。目前，冷凍電鏡技術已經成為結構生物學研究中的一個利器，改變了生物領域的研究方式，眾多研究項目取得了重大突破。
美國科學家確立端粒酶結構
端粒酶與癌癥和老化關系密切，如果能合理運用提取生物端粒酶技術，將有助于揭開人類衰老和罹患癌癥等嚴重疾病的奧秘。據英國《自然》雜志發表的一篇論文，美國科學家團隊使用冷凍電鏡技術，以迄今最高的分辨率確定了端粒酶的結構。
以往運用電子顯微鏡觀察生物樣品，容易對樣品造成電子束輻照損傷，很難獲得生物樣品的高分辨率信息。美國加州大學伯克利分校研究人員凱瑟林·科林斯及其同事利用冷凍電鏡技術，確定了人體端粒酶的結構，代表著人類向開發端粒酶相關療法邁出了重要一步。學界普遍認為，端粒酶結構數據的缺乏，妨礙了臨床調控端粒酶的進展，但現在，研究人員終于在亞納米尺度上得到了該分子與其底物相結合的圖像，這將加快提取生物端粒酶技術的研究進展。
中國科研人員重構復雜皰疹病毒
皰疹病毒直徑約為150-200納米，保護病毒基因的核衣殼包含約4000個蛋白組分，尺寸巨大、成分復雜，且容易在純化過程中造成顆粒局部微小形變。冷凍電鏡技術雖可以高分辨率測定生物分子結構，但對于尺寸超過120納米的生物樣品，容易造成顆粒局部欠焦量差異問題。
中國科學院生物物理研究所研究員王祥喜團隊，對導致欠焦量差異的物理效應進行矯正，并將單個“單純皰疹病毒-2”顆粒分成了240個亞單位，進行分類和單顆粒重構，從而將冷凍電鏡技術的分辨率提高到3.1埃(1埃等于十分之一納米)。該團隊在原子層面上重構了一種結構和功能極其復雜的皰疹病毒核衣殼，為后續研究病毒核衣殼在神經細胞中的運輸提供了“精細化”結構基礎。
中科大合肥微尺度物質科學國家研究中心與生命科學學院畢國強、劉北明和美國加州大學洛杉磯分校周正洪教授合作課題組，在國際上首次利用冷凍電鏡技術對完整神經突觸進行系統性定量分析，既推動了對突觸超微結構與功能的解密，又為復雜細胞體系中原位解析生物大分子復合物的組織結構技術研究奠定了基礎。
據悉，研究團隊利用冷凍電子斷層三維重構技術，結合自主研發的冷凍光電關聯顯微成像技術，實現了對中樞神經系統中兩類最主要突觸——興奮性/抑制性突觸的精確區分及結構特征的定量化分析，獲得一系列完整突觸在近生理狀態下的三維結構。結合定量分析手段，首次報道了抑制性突觸的均勻薄片狀突觸后致密區結構，并發現兩類突觸中均存在橢球狀突觸囊泡，結束了關于兩類突觸在突觸囊泡和突觸后致密區形態精細結構上由來已久的爭論。
作為結構生物學中的一個重要研究手段，冷凍電鏡技術大大改變了生物研究的方式。如今，各國研究人員紛紛運用這一技術開展科研工作，有效提升了科研效率，為生物領域眾多成果的涌出奠定了堅實基礎。
2017年10月，三位科學家因冷凍電鏡技術獲得了諾貝爾化學獎，此后，這一技術獲得了更多研究人員關注。目前，冷凍電鏡技術已經成為結構生物學研究中的一個利器，改變了生物領域的研究方式，眾多研究項目取得了重大突破。
美國科學家確立端粒酶結構
端粒酶與癌癥和老化關系密切，如果能合理運用提取生物端粒酶技術，將有助于揭開人類衰老和罹患癌癥等嚴重疾病的奧秘。據英國《自然》雜志發表的一篇論文，美國科學家團隊使用冷凍電鏡技術，以迄今最高的分辨率確定了端粒酶的結構。
以往運用電子顯微鏡觀察生物樣品，容易對樣品造成電子束輻照損傷，很難獲得生物樣品的高分辨率信息。美國加州大學伯克利分校研究人員凱瑟林·科林斯及其同事利用冷凍電鏡技術，確定了人體端粒酶的結構，代表著人類向開發端粒酶相關療法邁出了重要一步。學界普遍認為，端粒酶結構數據的缺乏，妨礙了臨床調控端粒酶的進展，但現在，研究人員終于在亞納米尺度上得到了該分子與其底物相結合的圖像，這將加快提取生物端粒酶技術的研究進展。
中國科研人員重構復雜皰疹病毒
皰疹病毒直徑約為150-200納米，保護病毒基因的核衣殼包含約4000個蛋白組分，尺寸巨大、成分復雜，且容易在純化過程中造成顆粒局部微小形變。冷凍電鏡技術雖可以高分辨率測定生物分子結構，但對于尺寸超過120納米的生物樣品，容易造成顆粒局部欠焦量差異問題。
中國科學院生物物理研究所研究員王祥喜團隊，對導致欠焦量差異的物理效應進行矯正，并將單個“單純皰疹病毒-2”顆粒分成了240個亞單位，進行分類和單顆粒重構，從而將冷凍電鏡技術的分辨率提高到3.1埃(1埃等于十分之一納米)。該團隊在原子層面上重構了一種結構和功能極其復雜的皰疹病毒核衣殼，為后續研究病毒核衣殼在神經細胞中的運輸提供了“精細化”結構基礎。
中美學者成功解析神經突觸
中科大合肥微尺度物質科學國家研究中心與生命科學學院畢國強、劉北明和美國加州大學洛杉磯分校周正洪教授合作課題組，在國際上首次利用冷凍電鏡技術對完整神經突觸進行系統性定量分析，既推動了對突觸超微結構與功能的解密，又為復雜細胞體系中原位解析生物大分子復合物的組織結構技術研究奠定了基礎。
據悉，研究團隊利用冷凍電子斷層三維重構技術，結合自主研發的冷凍光電關聯顯微成像技術，實現了對中樞神經系統中兩類最主要突觸——興奮性/抑制性突觸的精確區分及結構特征的定量化分析，獲得一系列完整突觸在近生理狀態下的三維結構。結合定量分析手段，首次報道了抑制性突觸的均勻薄片狀突觸后致密區結構，并發現兩類突觸中均存在橢球狀突觸囊泡，結束了關于兩類突觸在突觸囊泡和突觸后致密區形態精細結構上由來已久的爭論。
作為結構生物學中的一個重要研究手段，冷凍電鏡技術大大改變了生物研究的方式。如今，各國研究人員紛紛運用這一技術開展科研工作，有效提升了科研效率，為生物領域眾多成果的涌出奠定了堅實基礎。
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