冷冻电子显微镜（cryo-EM）是一种确定各种生物分子（包括蛋白质和蛋白质复合物）3D结构信息的成熟的蛋白质结构分析方法。直到最近，还必须在结晶后通过 X 射线晶体学才能完成蛋白质重建和可视化。这些蛋白质信息的获取存在多种限制：结晶非常耗时，而且通常只能用于单一纯化的蛋白（单体或二聚体）；此外，某些蛋白还无法结晶；最后，蛋白质结构只能在细胞环境之外测定，从而丢失了重要的环境信息。

Cryo-EM由单颗粒分析（SPA）、冷冻电子断层扫描（cryoET）和微电子衍射（MicroED）等多种应用组成，为蛋白质结构分析提供新的研究方式，彻底革新了蛋白质、蛋白质复合物及其动力学的研究方法。

• 单颗粒分析（SPA） - 以高通量和高分辨率对小型（<250kDa）和中型蛋白质（>250kDa）以及大型蛋白复合物进行成像和分析，以实现蛋白质结构分析。
• 冷冻断层扫描（cryoET） - 非常适合以中等分辨率分析细胞成分和组分。它为单颗粒分析测定蛋白质大分子结构提供了细胞环境。
• 微电子衍射（MicroED） - 适合测定蛋白晶体小于 750 nm 的蛋白质结构，而传统 X 射线晶体学无法分析这类独特的晶体。

  通过冷冻电子显微术 (MicroED) 生成的颗粒蛋白原聚体 (29 kDa) 结构，原子分辨率使蛋白质结构细节清晰可见。

  在结合药物 Ro-15-4513 的纳米盘中对 GABA 受体膜蛋白的 3D 重建。显示的分辨率为 2.75 Å。蛋白质结构分析数据是用 Falcon 4 直接电子检测相机在 Krios Cryo-TEM 上收集的。图像承蒙剑桥 MRC-LMB 的 Simonas Masiulis、Radu Aricescu 和赛默飞世尔科技的 Evgenia Pechnikova、Abhay Kotecha 提供。

什么是冷冻电镜(Cryo-EM)

冷冻电子显微镜通常是一种透射电镜(TEM)，且专门具备维持样品室内低温的能力。与传统透射电镜相比，冷冻电镜(Cryo-EM)还具有一套自动化和样品处理技术，增加了易用性，并确保每个样品都能收集到最多的高质量数据。冷冻电镜(cryo-EM)样品在Krios冷冻电镜中可维持 72 小时低温，在Glacios冷冻电镜或Tundra冷冻电镜中可维持 24 小时低温，使研究人员能够收集他们所需要的所有数据，以尽可能高质量进行三维重构。

冷冻电镜(Cryo-EM)的工作原理

冷冻电镜(Cryo-EM)将样品快速冷却至低温，防止样品中水分子结晶，从而保留了样品的近生理状态。样品冷冻后，科研人员可以使用一系列冷冻电镜技术以各种分辨率（包括近原子级分辨率）对样品进行3D可视化，从而比以前更深入、更全面地了解样品。

 冷冻电镜（Cryo-SEM）在蛋白质结构解析中的应用

蛋白质的形态学研究

Cryo-SEM可以直接观察蛋白质的形态，如纤维、颗粒或复合物，为理解其生物学功能提供形态学基础。

蛋白质-蛋白质相互作用

通过观察蛋白质在不同条件下的形态变化，Cryo-SEM有助于研究蛋白质间的相互作用和组装过程。

蛋白质工程和药物设计

Cryo-SEM提供的蛋白质结构信息可以辅助蛋白质工程和药物设计，特别是在确定药物结合位点和设计特异性配体方面。

 病毒和细胞表面蛋白的研究

Cryo-SEM也被用于研究病毒颗粒和细胞表面蛋白的形态，这对于疫苗开发和细胞生物学研究具有重要意义。

为什么选择冷冻电镜(Cryo-EM)

通过冷冻电镜(Cryo-EM)，研究人员可以观察蛋白质的所有复杂构象、结构和修饰形式，并且可以在单个生物样品中观察到多种蛋白质构象。冷冻电镜(Cryo-EM)消除了人们对晶体的需求，并无需担心纯度和异质性问题影响到生命科学研究。科研人员能够通过冷冻电镜获得的三维蛋白质结构研究细胞内的蛋白质功能，这对了解蛋白质的工作原理、在疾病中的作用以及对治疗方法的反馈至关重要。冷冻电镜(Cryo-EM)已成为世界各地科研人员进行生命科学研究的必备方法，为传染病、神经退行性疾病和癌症等研究领域带来了突破。

冷冻电镜(Cryo-EM)理想用途

• 脂质体，聚合物囊泡，乳液的胶体分散体
• 分散体中粒子聚集的研究
• 电子束敏感样品
• 低温晶相研究

冷冻电镜(Cryo-EM)优势强项

• 允许在水分散体中对近乎自然状态的软物质进行成像
• 允许对光束过于敏感的材料进行成像

冷冻电镜(Cryo-EM)缺点限制

• 水性分散体的样品制备需要针对不同的样品类型进行方法开发，因为它非常依赖于颗粒浓度、粒度和材料粘度
• 玻璃化冰层的样品厚度由粒径决定。因此，样品的透明度将粒径限制在几百纳米
• 能量色散X射线光谱（EDS）分析的分析时间受到限制，因为即使在低温下，光束也会诱导冻结水层升华

冷冻电镜(Cryo-EM)技术指标

• 检测到的信号： 传输电子
• 检测到的元素： B-U（含EDS）
• 检测限： 1 at％
• 成像/映射： 是（使用EDS）

冷冻电镜(Cryo-EM)相关资源

• 应用资料：22 纳米鳍式场效应晶体管 （TEM） 分析研究

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