印度学者谈印度冷冻电镜应用现状：全国已安装2套 呼吁配置更多

冷冻电镜（Cryo-electron microscopes, CEMs)作为现在结构生物学的前沿技术，逐渐受到各个国家的关注与重视，从安装配置高端冷冻电镜数量来看，据悉，目前中国已经采购高端冷冻电镜约50套，已成为继美国、欧洲之后的第三大阵营。

1月31日，一位国外学者在外媒发布了一篇关于印度冷冻电镜应用现状的报道，整理如下，以飨读者。

着眼于未来，印度需要更多的冷冻电镜

冷冻电镜（CEMs）是现在结构生物学的前沿技术。该技术手段在科学家发现各种重要生物分子的结构、在不同生命功能和疾病中的作用以及后期试图开发治疗方法等方面都发挥了重要作用。

典型冷冻电镜图，图片：CDC/Pexels

目前，印度安装了两套冷冻电镜。第一套于2017年9月在印度国家生物科学中心安装，第二套则是随后安装在印度科学研究所的先进CEM中心。这两个研究中心都在班加罗尔，两套冷冻电镜都是由印度生物技术部资助。

冷冻电镜通过电子来观察被研究的样品，由于电子具有较短的波长，可以获得更高的分辨率。生物样品的水分在电镜真空环境中蒸发，可能破坏样品组织，而冷冻电镜将样品进行低温冷冻，这样就避免样品受损。

每套冷冻电镜的价格大概在4-6亿卢比。（按当前汇率，约3500万元-5300万元人民币）

印度科学与工程研究委员会的秘书Sandeep Verma最近表示，该委员会已批准在印度各地新建四个国家冷冻电镜设施。

他相信，这些设施将有助于为印度的冷冻电镜研究建立一个深厚的知识和技能积累，从而在结构生物学、酶学、配体/药物发现以及抗击新出现的疾病方面建立全球竞争力。

即使在COVID-19大流行期间，“关于这种病毒及其刺突蛋白有很多需要了解的地方。在印度，我们无法做到这一点，因为我们只有两套冷冻电镜。”印度理工学院坎普尔分校生物科学和生物工程系副教授Arun Shukla说，“即使有人真的感兴趣研究它们，由于封锁，他们也不可能进入这些研究中心。”

“如果我们想为下一次大流行疾病做准备，我们全国应该至少配置10套冷冻电镜设施。”

蛋白质数据库每年发布的x射线、核磁共振和冷冻电镜结构数量趋势，图片: Masahide Kikkawa/Twitter

结构生物学的早期几十年被核磁共振、x射线晶体学和电子显微镜等技术所主导。利用它们，科学家们能够推断出核糖体、G蛋白偶联受体、离子通道蛋白和许多病毒等重要大分子的结构。

电子显微镜技术的应用过程中，其短板也很快显现出来。为了解析分子的形状和结构，电镜需要使用聚焦的高能电子束，就如同光学显微镜使用透镜聚焦光子。如果科学家需要更高分辨率的图像，电子束需要更高的能量，但能量超过某一点，电子束可能变得太强，此时就无法在不破坏样品的同时成像。

电镜可以分辨30-40个Å宽的特征，当前的冷冻电镜分辨率可以达到1-4个Å。

20世纪80年代初，瑞士洛桑大学的Jacques Dubochet和他的研究团队将一个生物样品浸入温度约为-180℃液态乙烷中，然后将其装入电子显微镜。令他们惊讶的是，他们发现样本中的分子保持了原来的形状，使研究小组能够以比以前更高的分辨率成像。

利用这一改进，英国剑桥MRC分子生物学实验室的Richard Henderson和他的团队在1990年首次利用冷冻电镜记录了蛋白质的原子分辨率图像。

不久之后， Joachim Frank和他在美国的团队开发了优化这项技术所需的图像处理工具和软件，供实验室的生物学家使用。此三人因这项工作获得了2017年诺贝尔化学奖。

“冷冻电镜让我们可以观察单个病毒、几种大分子和非常小的蛋白质，”Shukla说，“冷冻电镜结构也有助于我们预测可能与靶蛋白结合的潜在药物，早些时候，这只能通过x射线晶体学来实现。”

自20世纪90年代以来，冷冻电镜技术发展迅速，除了更好的显微镜硬件外，还支持先进的样品制备方法、自动数据采集和确定结构的算法。例如，像K3相机这样的直接电子探测器已经用电荷耦合器件取代了相机。工程师们还开发了自动将目标最大化的内置机制，使科学家们能够实现超高的分辨率，并减轻实验室显微镜工作者的工作量。

然而，这并不意味着冷冻电镜技术已经完善。首先，制药公司需要原子分辨率显微镜来破译蛋白质和其他生物分子的完整结构，从而加快药物发现的进程。另一方面，我们有机会开发更快的算法，从给定的冷冻电镜图像中揭示分子的结构。

鉴于这些机会，尽快安装新的冷冻电镜将为印度的科学家和学生打开大门，他们不仅可以从事前沿研究，还可能在未来的生物医学技术上领先一步。