新技術(shù)提高了冷凍電子顯微鏡的清晰度和安全性

紐約州伊薩卡市——當科學(xué)家需要可視化用來浸潤人體細胞的刺突蛋白的結(jié)構(gòu)時，他們轉(zhuǎn)向了冷凍電子顯微鏡。作為研究人員武器庫中最強大的成像工具之一，冷凍電子顯微鏡 (cryo-EM) 可以將蛋白質(zhì)、病原體和各種細胞成分可視化，幾乎可以看到它們的單個原子。

但是為冷凍電鏡準備樣品是一個繁瑣的過程，它依賴于乙烷——一種強大的液態(tài)冷卻劑，在室溫下是一種容易爆炸的易燃氣體。

9 月 7 日發(fā)表在國際晶體學(xué)聯(lián)盟雜志上的一項新研究表明，可以使用更安全、更便宜的冷卻劑——液氮——制備冷凍電鏡樣品，這些樣品可以產(chǎn)生比用乙烷制備的樣品更清晰的圖像。這些發(fā)現(xiàn)顛覆了可追溯到 1980 年代的傳統(tǒng)智慧，并可能提高冷凍電鏡的安全性和質(zhì)量。

“乙烷不是標準的實驗室化學(xué)品。這是危險的，并利用它增加了額外的復(fù)雜，”資深作者羅伯特·索恩，在藝術(shù)和科學(xué)學(xué)院和韋斯研究員物理學(xué)教授。“液氮是首選的冷卻劑。”

Cryo-EM 的工作原理是通過在玻璃狀水中閃凍的分子發(fā)射電子，捕捉冰中分子的多個模糊圖像。復(fù)雜的軟件通常可以將這些模糊的剪輯平均化為一張清晰的 3D 圖像，但并非始終如一。

一些模糊來自樣本本身。當包裹分子的水冷卻得太慢時，它會形成冰晶，從而降低圖像質(zhì)量?？茖W(xué)家們通過使用乙烷快速冷卻水以使其卡入玻璃狀、無晶體的薄片來規(guī)避這個問題。但是如此快速的冷凍會給位于金薄膜上的紙張帶來壓力。當電子束撞擊紙張時，應(yīng)力會導(dǎo)致分子移動，從而以一種稱為電子束誘導(dǎo)運動的現(xiàn)象來模糊最終圖像。

“我們有兩個相反的因素，”索恩說。“我們希望快速冷卻樣品，以防止冰晶形成并捕獲分子的生物結(jié)構(gòu)。但我們也希望盡可能緩慢地冷卻樣品，以盡量減少它們在成像過程中的運動。”

乙烷可以非?？焖俚乩鋮s樣品。但研究人員必須使用液氮將乙烷氣體轉(zhuǎn)化為液體，然后在冷凍后更多的液氮來儲存樣品。“乙烷很麻煩，很危險，最終，無論如何，樣品最終都會在液氮中，”索恩說。

根據(jù)過去 40 年的報告，液氮的冷卻速度大約比乙烷慢 50 倍，這還不足以將水轉(zhuǎn)化為玻璃狀薄片。但是在 2006 年，Thorne 的研究小組發(fā)現(xiàn)使氮氣減速的主要因素是在液體表面上方盤旋的冷氣體，它在小樣品到達液體之前冷卻了它們。

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