冷凍電鏡簡介

1、1冷凍電鏡發(fā)展背景冷凍電鏡發(fā)展背景人類基因組計劃的完成，標(biāo)志著科學(xué)已進(jìn)入后基因組時代。雖然大量的基因序列得到闡明，但是生物大分子如何從這些基因轉(zhuǎn)錄、翻譯、加工、折疊、組裝，形成有功能的結(jié)構(gòu)單元，尚需進(jìn)一步的研究。后基因組時代人類面臨的一個挑戰(zhàn)是解析基因產(chǎn)物—蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，建立結(jié)構(gòu)基因組學(xué)，并在原子水平上解釋核酸—蛋白，蛋白—蛋白之間的相互作用，從而闡明由這些生物大分子和復(fù)合物所行使的生物學(xué)功能。在此過程中，結(jié)構(gòu)生物學(xué)在其中扮演著重要

2、角色。對生物大分子結(jié)構(gòu)的解析，不僅具有深遠(yuǎn)的基礎(chǔ)意義，而且具有廣闊的應(yīng)用前景。通過對核酸、蛋白質(zhì)及其復(fù)合物的結(jié)構(gòu)解析，人們對它們的功能的理解更加透徹，就可以根據(jù)他們發(fā)揮功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)有針對性地進(jìn)行藥物設(shè)計，基因改造，疫苗研制開發(fā)，甚至人工構(gòu)建蛋白質(zhì)等工作，從而對制藥、醫(yī)療、疾病防治、生物化工等諸多方面產(chǎn)生巨大的推動作用。日前用于解析生物大分子空間結(jié)構(gòu)的主要手段是X射線晶體學(xué)技術(shù)和核滋共振波譜學(xué)。X射線晶體學(xué)可給出分子的高分辨結(jié)鉤，核磁共

3、振波譜學(xué)則可測定分子在溶液中的精確構(gòu)像，并可研究構(gòu)像的動態(tài)變化。雖然X射線晶體學(xué)和核磁共振波譜學(xué)是解析生物大分子結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力工具，但各有局限性。X射線晶體學(xué)解析的結(jié)構(gòu)常常是分子的基態(tài)結(jié)鉤，而對解析分子的激發(fā)態(tài)和過渡態(tài)卻往往無能為力：生物大分子在體內(nèi)常常發(fā)生相互作用并形成復(fù)合物而發(fā)揮功能，這些復(fù)合物的結(jié)晶化非常困難。核磁共振波譜學(xué)雖可獲得分子在溶液中的結(jié)構(gòu)并可研究結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，但目前只能用于分子量較小的生物大分子（10000道爾頓），而

4、對分子量大的生物大分子尤其是超分子復(fù)合物卻無能為力。人類對生物體系的研究經(jīng)歷了由個體到器官，由器官到組織，由組織到細(xì)胞，由細(xì)胞到生物大分子這樣一個層次由高到低的過程。隨著科學(xué)的發(fā)展，人們對生物體系的研究又轉(zhuǎn)向由低層次到高層次，由簡單體系到復(fù)雜體系。在此過程中，細(xì)胞作為生命的基本單位起著承上啟下的重要作用。多少年來，科學(xué)家的一個夢想是能觀察到生物大分子在細(xì)胞內(nèi)的行為，幾十年來，人們對大量的生物大分子及其復(fù)合物應(yīng)用電子顯微鏡進(jìn)行研究，發(fā)展出

5、了強(qiáng)有力的電子顯微學(xué)來研究生物大分子結(jié)構(gòu)的方法學(xué)。近年來，由于快速冷凍和低溫冷卻技術(shù)的引進(jìn)，導(dǎo)致了冷凍電子顯微學(xué)技術(shù)的誕生。冷凍電鏡在研究生物大分子結(jié)構(gòu)尤其是超分子體系的結(jié)構(gòu)方面取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到重視，逐漸成為一種被普遍接受的公認(rèn)的研究生物大分子尤其是超分子體系結(jié)構(gòu)的有效研究手段，成為連接生物大分子和細(xì)胞的紐帶和橋梁。圖2.1冷凍透射電鏡及冷凍電鏡下高分辨病毒的三維重構(gòu)圖2.2.2冷凍掃描電子顯微鏡冷凍掃

6、描電子顯微鏡掃描電鏡工作者都面臨著一個不能回避的事實(shí)，就是所有生命科學(xué)以及許多材料科學(xué)的樣品都含有液體成分。很多動植物組織的含水量達(dá)到98%，這是掃描電鏡工作者最難對付的樣品問題。冷凍掃描電鏡（CryoSEM）技術(shù)是克服樣品含水問題的一個快速、可靠和有效的方法。這種技術(shù)還被廣泛地用于觀察一些“困難”樣品，如那些對電子束敏感的具有不穩(wěn)定性的樣品。各種高壓模式如VP、LV和ESEM的出現(xiàn)，已允許掃描電鏡觀察未經(jīng)冷凍和干燥的樣品。但是，冷凍掃