电子显微镜划时代低温电子显微术

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     2017年10月4日，2017年诺贝尔化学奖授予了英国分子生物学家和生物物理学家理查德·亨德森、哥伦比亚大学的德国出生的生物物理学家约阿希姆·弗兰克和瑞士洛桑大学的生物物理学家雅克·德博什。为发展低温电子显微镜（cry.c electronic.y，低温电子显微镜）测定溶液中生物分子的高分辨率结构，简化生物细胞的成像过程，提高成像质量。
    
     Jacques DeBosch，75岁，出生于瑞士。他的重要贡献是在真空环境中保持生物分子的自然形状。1978年，德波开始解决电子显微镜领域中样品的干燥和破坏问题。如前所述，亨德森曾用葡萄糖保护样品。细菌视紫红质成像，但这种方法并不普遍适用。
    
     Dipos的方法是生物样品的玻璃化。通常，通过氢键的相互作用，水分子在凝固过程中有序排列，形成晶体。在乙烷中预先用液氮冷却过的，使水在毫秒内完全凝固。这种方法产生非晶态而不是结晶态，玻璃也是非晶态的，因此称为玻璃化。嵌入非晶态冰中的生物样品可以离开现实。1982年，De Bosch开发了一种真正成熟和可用的快速冷冻样品制备技术，用于在玻璃质冰中形成非冰晶体。1984年，Dipos发布了不同病毒的结构图像。低温电子显微镜技术已得到广泛应用。
    
     72岁的理查德·亨德森出生于苏格兰，现任剑桥大学医学研究委员会MRC分子生物学实验室主任，发起了一场生物大分子的高分辨率观测革命。在显微镜下，亨德森对细菌视紫红质的尝试证明了其在生物领域的适用性。他把没有从细胞膜上直接分离的细菌视紫红质放在电子显微镜下观察，并辅以表面包被的葡萄糖以防止真空干燥。电子束强度较低，观察到细菌视紫红质在细胞膜上呈规则排列并朝同一方向排列。
    
     Henderson和他的同事随后获得了细菌视紫红质的更粗糙的三维结构，这是历史上膜蛋白领域中的个三维结构。这一突破性的结果证明了电子显微术对生物分子成像的潜力。
    
     77岁的德国出生的生物物理学家约阿希姆弗兰克已经使冷冻电子显微镜技术普遍适用。弗兰克在1981年完成了一个算法，使用计算机识别的图像来收集相同蛋白质的不同阴影，并将图像与相似轮廓进行分类和比较。我们的。通过分析不同的重复模式，将图像拟合成更清晰的二维图像，在此基础上，利用数学方法建立同一蛋白质的不同二维图像之间的关系。在此基础上，对三维结构图像进行拟合。他的图形拟合程序被认为是低温电子显微镜发展的基础，此外，他还对细菌和真核生物的核糖体结构和功能的研究作出了重要贡献。核酸携带遗传物质，这引起科学家的注意。蛋白质是生命活动的主要执行者。对蛋白质结构的分析始于20世纪60年代。在结构生物学领域有一个不成文的观点：结构决定功能。只有了解生物分子的原子排列，科学家才能理解这种蛋白质的功能。蛋白质结构分析有两种常用的实验方法：X射线衍射晶体学和核磁共振成像。
    
     X射线衍射晶体学作为结构分析的最早的实验方法之一，已有几十年的历史。理论和实验结果证明，当X射线照射分子晶体颗粒时，会发生X射线衍射效应。通过探测器采集这些衍射信号，可以了解晶体中电子密度的分布，进而获得粒子的位置信息。生物大分子晶体，但在这种情况下，晶体周围的环境非常恶劣，可能对晶体产生不利影响，而且X射线衍射法不能用于分析较大的蛋白质。
    
     核磁共振成像的基本理论是具有孤对电子的核（可选的量子数为1）会引起核能级的塞曼分裂，吸收和释放电磁辐射，即产生共振谱。ic辐射与磁场强度成正比。通过分析特定原子与外部磁场结合发射的电磁辐射，这个特性可以用于成像生物大分子或其他领域。核磁共振（NMR）结构分析大多处于蛋白质结构的溶液状态，一般认为与晶体结构相比，晶体结构能更好地描述细胞内生物大分子的真实结构，并能获得氢原子的结构位置。磁共振不是的。由于蛋白质在溶液中的结构不稳定，有时难以获得稳定的信号。因此，经常需要使用计算机建模或其他方法来改进结构分析过程。
    
     但实际上，这两种常规方法都不能给研究人员提供高分辨率的大型蛋白质复合物，这阻碍了成像技术在生物结构领域的发展。具有原子分辨率的大型蛋白质复合物的三维结构无需结晶，只需很少的样品，即可快速解析。结构生物学领域。许多重要的大配合物和膜蛋白的原子分辨率结构长期以来无法用传统的X射线和结晶学来解决，现在已经一个接一个地迅速得到解决，并已逐一占据期刊和主要媒体。在生物分子方面，研究人员可以在原子水平上进行高分辨率成像，而不必用大分子样品制成晶体。随后，这项技术的应用也正式进入井喷发展阶段。《自然方法》杂志将以冷冻电镜技术作为年度最关注的技术。
    
     Behind these breakthroughs, Henderson, Frank and De Bosch, three pioneers in the field of cryo-electron microscopy, have made important contributions to basic theories, reconstruction algorithms and experiments respectively.The Nobel Prize official said the contribution of the trio has made imaging of biomolecules simpler and clearer, and has ushered in a new era in biochemistry.We will soon be able to get sophisticated images of complex life devices at atomic resolution.There are even media reports that freezing electron microscopy is the third largest technology to be compared with sequencING和质谱分析。
    
     低温电子显微镜（TEM）是指应用冷冻固定和透射电子显微镜（TEM）在低温下观察样品。它可以冻结生物分子，并允许对它们的运动进行前所未有的观察和分析。它对生物化学的理解和药理学的发展具有决定性的影响。在手术过程中，样品被冷冻，然后置于低温显微镜下。高相干电子从样品和周围冰上照射，引起散射，然后由探测器和投影系统记录散射信号。最后，对信号进行处理，得到样本结构。
    
     这种用于扫描电子显微镜（SEM）的低温样品制备和透射技术允许直接观察液体、半液体和电子束敏感样品，例如生物材料和聚合物材料。D或碳。采用冷冻转运系统对样品进行观察，并将其置于冷库（温度可达-185℃）中。保证研究人员在低温下进行电子显微镜下观察样品的系统。新世纪后，电子显微镜和计算机建模与成像相结合的大量实践开始盛行。o得益于样品制备技术、新一代电子探测器的发明、软件算法的优化等技术的进步，更多的信息和更低的噪声保证了高分辨率的图像。
    
     科学家们希望能够创造出更灵敏的电子探测器和更好的方法制备蛋白质样品。通过这种方式，可以成像更小和更动态的分子，并且具有更高的分辨率。随着基因组、蛋白质组、代谢组和脂质组在大数据时代的迅速发展，越来越多的蛋白质组学应引起更多的重视。蛋白质药物筛选和计算机辅助药物研究不容低估，开发高精度、高效的结构分析技术具有重要意义，可以预见，未来蛋白质结构领域将会有更多的惊喜。
    
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