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新聞 | 凍電鏡技術未來之路在何方?

• 文章來源：   
• 時間：2017-12-06 10:54

2017年諾貝爾化學獎授予了理查德·亨德森（Richard Henderson）、約阿希姆·弗蘭克（Joachim Frank）和雅克·杜博歇（Jacques Dubochet），表彰他們在冷凍電鏡技術的發展上做出的貢獻。

他們將冷凍電鏡技術簡化，并將其應用在生物分子成像方向，打破了長期以來解析蛋白必須依靠傳統X射線晶體學（X-raycrystallography），核磁共振(NMR)的手段，使我們在近期內很有可能獲得原子級別分辨率下的生命復雜機制的詳細圖像。（圖片來源：Martin Hogbom）

其中，尤其值得一提的是杜博歇教授的工作: 他將少量蛋白溶液滴加到銅網上，迅速插入到用液氮冷卻的液態乙烷中，使蛋白顆粒迅速被制冷的玻璃態的冰所包裹，zui大程度上保存了蛋白顆粒的真實原始狀態，得到了高質量的冷凍電鏡樣品，從而大大推動了冷凍電鏡的推廣。

既然冷凍樣品制備如此重要，有沒有儀器可以提高我們實驗的重復性和成功率呢？

有！那就是我們徠卡的載網投入冷凍儀GP。Leica EM GP設計用于冷凍電鏡樣品前處理，用于制備玻璃化的液態樣品。如病毒顆粒，蛋白質及其他細胞組分等的樣品懸液。

冷凍電鏡技術未來之路在何方? 
Celluar CryoEM

除了蛋白等生物大分子外，生物樣品還有很重要的一面是細胞和組織。即使目前很多重要的蛋白結構都得到了埃米級別的解析，但由于它們都是純化出來的，已經脫離了原來位置，如同一片樹葉脫離了大樹，研究的再深刻，目前也只是一葉遮目，不要說推測這片樹葉在森林里的位置，即使在哪顆特定大樹上的生長部位和結構都很難說。因此解析細胞或組織這樣大尺度的高分辨精細結構具有更廣泛的生物學意義。

那我們對于它們的制樣手段研究進展如何？

這又不得不提這次諾獎的杜博歇教授。他不僅建立了單顆粒冷凍制樣技術，同時也在細胞組織層面做出了突出的貢獻，尤其是CEMOVIS(Cryo-Electron Microscopy Of VItreous Sections)的發展和逐漸完善，實現了近生理狀態的細胞組織的原位觀察。CEMOVIS沒有化學固定，沒有染色，也沒有生物成分的聚集；保持了生物體內水分的原位，玻璃態的固定。應用CEMOVIS得到的電鏡圖片看起來和常規制樣圖片有很大不同：結構更平滑均質，細節更多更明顯。那么它的技術路線是什么呢？高壓冷凍+冷凍切片+冷凍電鏡。杜博歇教授初期的工作就有用徠卡的EM PACT（徠卡*代高壓冷凍儀）對樣品進行冷凍，用FCS Ultracut S cryomicrotome（徠卡早期冷凍切片機）進行冷凍切片，zui后在冷凍透射電鏡下觀察（見下圖）。

作為高壓冷凍領域的，徠卡迄今已經發展到第三代高壓冷凍儀-ICE(Innovative Cryo-fixation Equipment)。高壓冷凍儀是通過液氮制冷，通過空氣壓縮機提供壓力來源，通過物理原理可使局部壓強達到2100拔，從而實現對含水樣本的高壓冷凍固定, 冷凍固定后樣品經后續處理（冷凍替代/常溫超薄切片，冷凍超薄切片或冷凍斷裂等）供電子顯微鏡觀測。

高壓冷凍儀能在毫秒級別內zui大程度地保存樣品生活狀態的原始真實信息，蛋白質結構、酶/抗原活性無變化，可溶性離子及小分子得到有效固定等等，有效避免了常規化學固定帶來的假象。

除了可以結合冷凍切片，完成CEMOVIS的工作外，它還可以結合冷凍斷裂，冷凍替代等來觀察樣品的內部超微結構或進行免疫學的相關工作。除此之外，它還可以結合光刺激和電刺激，為神經生理學家打開了一扇新的大門。

現在，冷凍制樣逐漸深入人心，那冷凍好的樣品，經過處理，能否在光鏡下同時實現其功能的探究呢？
徠卡EM Cryo CLEM（Cryo Correlative Light Electron Microscopy）冷凍光鏡電鏡聯用系統，實現保持樣品原生狀態下的光鏡和電鏡d圖像關聯分析，對同一樣品位置集熒光顯微圖像與高分辨率電鏡圖像于一體。

它的主要技術路線是： 通過冷凍制樣技術（高壓冷凍，保存樣品zui原始的亞細胞結構信息），制備得到冷凍超薄切片（或通過投入冷凍技術冷凍樣品），之后借助冷凍光鏡觀察熒光標記位置，記錄感興趣的位置，然后在冷凍TEM中實現原位電鏡觀察，從而實現光鏡電鏡聯用技術。

備注：高壓冷凍和冷凍超薄切片，用于冷凍固定組織樣品，例如侵染有病毒的組織樣品。投入冷凍EM GP，用于冷凍單顆粒病毒大分子，或蛋白質大分子顆粒。

圓派科儀為徠卡授權代理商