2014值得关注的技术：低温电子显微镜

2013年末，《Nature Methods》杂志将年度技术授予了单细胞测序（single-cell sequencing）。同时，杂志还介绍了2014年值得关注的技术，包括CRISPR和基因组编辑、神经学工具、原位测序、单粒子低温电子显微镜等。

低温电子显微镜（cryo-EM）虽然是结构生物学研究中的重要工具，但其潜力还未充分发挥出来。近期的技术进步大大提高了cryo-EM的分辨率，正在重振这一领域。

在单粒子cryo-EM实验中，大分子集合体被冷冻在一层薄薄的冰中，并用电子显微镜成像。单个集合体的数千至数百万幅图像必须经过计算机比对和合并，以获得一个三维结构。

与X射线晶体衍射相比，cryo-EM的一个明显优势就是不需要结晶，这大大拓宽了其研究领域，使生物大分子及其复合物的构象研究成为可能。运用这种方法，一些生物样品如病毒和大肠杆菌70S核糖体的三维重构图已经得到，但分辨率不是很高。

尽管人们早已认识到，cryo-EM有潜力达到原子级别的分辨率，但目前仍存在一些技术限制。它们包括难以产生足够量的样品，结构异质性，辐射损伤，电子束诱导的样品移动以及相机效率低。

不久之前，cryo-EM的用户只有两种选择来捕获电子显微镜的图像：低效的数字CCD照相机或不方便的照相胶卷。而直接检测电子的新型照相机实现了更快速、更高效的图像采集，解决了上述的一些限制。这些照相机记录了样品暴露于电子束过程中的一段视频，可通过帧同步进行校正。

2013年发表的两篇文章使用了这一策略。美国加州大学旧金山分校的研究人员利用一种新开发的单电子计数探测器，证实了电子束诱导的移动会大幅降低分辨率，并且，他们发现，快速读取与几乎无噪音的电子计数的组合使图像模糊得以校正，将图像信息恢复到高分辨率。这种方法大大提高了cryo-EM的图像质量和数据采集效率，实现了接近原子的分辨率。

英国医学研究委员会的研究人员也评估了新一代的直接电子探测器在cryo-EM结构测定上的潜力。利用一种新开发的statistical movie processing方法来补偿电子束诱导的移动，他们发现核糖体结构可达到接近原子的分辨率，而粒子比之前少了两个数量级。

结合快速改进的样品制备方法、繁重任务的自动化以及数据分析的新算法，单粒子低温电子显微镜有望为大分子集合体带来新的见解，而这正是结构鉴定上极具挑战性的一面。（生物通 薄荷）

原文检索

Single-particle electron cryomicroscopy

Nature Methods 11, 30 (2014) doi:10.1038/nmeth.2779