紐約州伊薩卡市——當(dāng)科學(xué)家需要可視化用來(lái)浸潤(rùn)人體細(xì)胞的刺突蛋白的結(jié)構(gòu)時(shí)，他們轉(zhuǎn)向了冷凍電子顯微鏡。作為研究人員武器庫(kù)中最強(qiáng)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(xì)胞成分可視化，幾乎可以看到它們的單個(gè)原子。
但是為冷凍電鏡準(zhǔn)備樣品是一個(gè)繁瑣的過(guò)程，它依賴于乙烷——一種強(qiáng)大的液態(tài)冷卻劑，在室溫下是一種容易爆炸的易燃?xì)怏w。
9 月 7 日發(fā)表在國(guó)際晶體學(xué)聯(lián)盟雜志上的一項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室化學(xué)品。這是危險(xiǎn)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(guò)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(gè)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(lái)自樣本本身。當(dāng)包裹分子的水冷卻得太慢時(shí)，它會(huì)形成冰晶，從而降低圖像質(zhì)量?？茖W(xué)家們通過(guò)使用乙烷快速冷卻水以使其卡入玻璃狀、無(wú)晶體的薄片來(lái)規(guī)避這個(gè)問(wèn)題。但是如此快速的冷凍會(huì)給位于金薄膜上的紙張帶來(lái)壓力。當(dāng)電子束撞擊紙張時(shí)，應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致分子移動(dòng)，從而以一種稱為電子束誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象來(lái)模糊最終圖像。
“我們有兩個(gè)相反的因素，”索恩說(shuō)。“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?cè)诔上襁^(guò)程中的運(yùn)動(dòng)。”
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(lái)儲(chǔ)存樣品。“乙烷很麻煩，很危險(xiǎn)，最終，無(wú)論如何，樣品最終都會(huì)在液氮中，”索恩說(shuō)。
根據(jù)過(guò)去 40 年的報(bào)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?dú)鉁p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(dá)液體之前冷卻了它們。
標(biāo)簽： 冷凍電子顯微鏡
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