新聞 | 凍電鏡技術(shù)未來(lái)之路在何方?

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• 時(shí)間：2017-12-06 10:54

2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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?cè)诶鋬鲭婄R技術(shù)的發(fā)展上做出的貢獻(xiàn)。

他們將冷凍電鏡技術(shù)簡(jiǎn)化，并將其應(yīng)用在生物分子成像方向，打破了長(zhǎng)期以來(lái)解析蛋白必須依靠傳統(tǒng)X射線晶體學(xué)（X-raycrystallography），核磁共振(NMR)的手段，使我們?cè)诮趦?nèi)很有可能獲得原子級(jí)別分辨率下的生命復(fù)雜機(jī)制的詳細(xì)圖像。（圖片來(lái)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(wǎng)上，迅速插入到用液氮冷卻的液態(tài)乙烷中，使蛋白顆粒迅速被制冷的玻璃態(tài)的冰所包裹，zui大程度上保存了蛋白顆粒的真實(shí)原始狀態(tài)，得到了高質(zhì)量的冷凍電鏡樣品，從而大大推動(dòng)了冷凍電鏡的推廣。

既然冷凍樣品制備如此重要，有沒(méi)有儀器可以提高我們實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性和成功率呢？

有！那就是我們徠卡的載網(wǎng)投入冷凍儀GP。Leica EM GP設(shè)計(jì)用于冷凍電鏡樣品前處理，用于制備玻璃化的液態(tài)樣品。如病毒顆粒，蛋白質(zhì)及其他細(xì)胞組分等的樣品懸液。

冷凍電鏡技術(shù)未來(lái)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(xì)胞和組織。即使目前很多重要的蛋白結(jié)構(gòu)都得到了埃米級(jí)別的解析，但由于它們都是純化出來(lái)的，已經(jīng)脫離了原來(lái)位置，如同一片樹(shù)葉脫離了大樹(shù)，研究的再深刻，目前也只是一葉遮目，不要說(shuō)推測(cè)這片樹(shù)葉在森林里的位置，即使在哪顆特定大樹(shù)上的生長(zhǎng)部位和結(jié)構(gòu)都很難說(shuō)。因此解析細(xì)胞或組織這樣大尺度的高分辨精細(xì)結(jié)構(gòu)具有更廣泛的生物學(xué)意義。

那我們對(duì)于它們的制樣手段研究進(jìn)展如何？

這又不得不提這次諾獎(jiǎng)的杜博歇教授。他不僅建立了單顆粒冷凍制樣技術(shù)，同時(shí)也在細(xì)胞組織層面做出了突出的貢獻(xiàn)，尤其是CEMOVIS(Cryo-Electron Microscopy Of VItreous Sections)的發(fā)展和逐漸完善，實(shí)現(xiàn)了近生理狀態(tài)的細(xì)胞組織的原位觀察。CEMOVIS沒(méi)有化學(xué)固定，沒(méi)有染色，也沒(méi)有生物成分的聚集；保持了生物體內(nèi)水分的原位，玻璃態(tài)的固定。應(yīng)用CEMOVIS得到的電鏡圖片看起來(lái)和常規(guī)制樣圖片有很大不同：結(jié)構(gòu)更平滑均質(zhì)，細(xì)節(jié)更多更明顯。那么它的技術(shù)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(duì)樣品進(jìn)行冷凍，用FCS Ultracut S cryomicrotome（徠卡早期冷凍切片機(jī)）進(jìn)行冷凍切片，zui后在冷凍透射電鏡下觀察（見(jiàn)下圖）。

作為高壓冷凍領(lǐng)域的，徠卡迄今已經(jīng)發(fā)展到第三代高壓冷凍儀-ICE(Innovative Cryo-fixation Equipment)。高壓冷凍儀是通過(guò)液氮制冷，通過(guò)空氣壓縮機(jī)提供壓力來(lái)源，通過(guò)物理原理可使局部壓強(qiáng)達(dá)到2100拔，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)含水樣本的高壓冷凍固定, 冷凍固定后樣品經(jīng)后續(xù)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(cè)。

高壓冷凍儀能在毫秒級(jí)別內(nèi)zui大程度地保存樣品生活狀態(tài)的原始真實(shí)信息，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、酶/抗原活性無(wú)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(guī)化學(xué)固定帶來(lái)的假象。

除了可以結(jié)合冷凍切片，完成CEMOVIS的工作外，它還可以結(jié)合冷凍斷裂，冷凍替代等來(lái)觀察樣品的內(nèi)部超微結(jié)構(gòu)或進(jìn)行免疫學(xué)的相關(guān)工作。除此之外，它還可以結(jié)合光刺激和電刺激，為神經(jīng)生理學(xué)家打開(kāi)了一扇新的大門(mén)。

現(xiàn)在，冷凍制樣逐漸深入人心，那冷凍好的樣品，經(jīng)過(guò)處理，能否在光鏡下同時(shí)實(shí)現(xiàn)其功能的探究呢？
徠卡EM Cryo CLEM（Cryo Correlative Light Electron Microscopy）冷凍光鏡電鏡聯(lián)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)保持樣品原生狀態(tài)下的光鏡和電鏡d圖像關(guān)聯(lián)分析，對(duì)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(shù)路線是： 通過(guò)冷凍制樣技術(shù)（高壓冷凍，保存樣品zui原始的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)信息），制備得到冷凍超薄切片（或通過(guò)投入冷凍技術(shù)冷凍樣品），之后借助冷凍光鏡觀察熒光標(biāo)記位置，記錄感興趣的位置，然后在冷凍TEM中實(shí)現(xiàn)原位電鏡觀察，從而實(shí)現(xiàn)光鏡電鏡聯(lián)用技術(shù)。

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(zhì)大分子顆粒。

圓派科儀為徠卡授權(quán)代理商