冷冻替代仪

因为技术原因，长期以来，进口冷冻离心机一直占据我们大部分市场，分布在全国各地的实验室，以及高校和相关企业中，像岛津、安捷伦等长期占领我国主流市场。蜀科仪器近几年来一直致力于冷冻离心机的技术创新和升级，小编今天来简要分析下冷冻离心机何时实现“进口替代”。 目前国产冷冻离心机已经到达进口仪器的相同功能，许多产品已被国内科研组织普遍运用。特别在中档设备上，国产设备和进口设备几乎没有差异，完全能够满足运用。花钱是买有用，而不是买功能指标，但一些单位用公款购买，不惜本钱，乃至以具有进口仪器为荣。　　与此同时，与面临国外设备的剧烈竞赛比较，国产仪器内部处于低档同质化竞赛状况也是一个不争的现实。据了解，现在大多数国产冷冻离心机公司在走“低报价市场竞赛”道路，对商品本钱投入不行，技术水平较差。公司为了抢夺市场，降低收购零部件本钱，加之中国精细加工和元器件商品基础薄弱，直接影响仪器的检查能力，反映在仪器稳定性不高等方面。　　国家统计局数据显示，2014年，中国仪器仪表全职业共有规划以上公司4116家，近1100家首要公司是仪器仪表协会会员单位。职业规划小，专业涣散，有95%的公司年经营收入在亿元以下，没有过10亿元的公司。绝大部分公司的商品会集在低端，还处于“满足于自个过小日子”的阶段。　　有专家表示，将来几年间，中国检查组织(实验室)、工业项目、重大科技专项(集成电路)、新药研发还将收购很多进口仪器。假如这些检查数据、技术参数等信息均被国外很多把握，对中国的信息安全不利。　　因而，专家建议，提升职业整体竞赛力，继续缩短中国冷冻离心机技术与国外先进技术水平的距离，争取提前实现“进口替代”。

细胞排出废物的“垃圾桶”，到如今科研界热度居高不下的宠儿，外泌体在某种意义上完成了质的飞跃。外泌体是细胞分泌到胞外的一种囊泡（Extracellular Vesicles，EVs），其大小为30-150nm，具有双层磷脂膜结构，含有丰富的内含物（包含蛋白质、核酸等多种活性生物分子）。外泌体应用于疾病诊断、药物装载及做为治疗药物等方面，它穿透性极强、吸收更佳、低免疫原性，使得它成为了非常优质的“活性物质递送系统”。外泌体由蛋白质、核酸、脂质组成，含有较高水平的胆固醇、鞘磷脂及饱和脂肪酸。相比其他载体，外泌体在递送药物方面有着显而易见的优势：①外泌体的安全性非常高；②外泌体有非常好的靶向性潜力；③外泌体具备工程改造潜力；④外泌体有优秀的多分子装载能力。药物递送系统（DDS）的表征是新药研发致关重要的一个环节，反应DDS 的特性。冷冻电镜是外泌体直观表征的不二利器，通过将外泌体样本快速冷冻，可以获得外泌体近生理状态下形貌信息细节，直接表征多项指标；还可以通过冷冻电子断层扫描技术获得外泌体近生理状态下的3D结构，为新药开发打开纳米世界的大门。随着冷冻电镜技术的不断发展，已经突破分辨率极限，达到原子级别。冷冻电镜技术对外泌体的探究越来越细致，为了更深入的走进外泌体，了解冷冻电镜下的新一代药物递送载体，药融圈联合赛默飞共同邀请到苏州唯思尔康科技有限公司SVP何新军以及赛默飞世尔科技材料与结构分析业务拓展经理刘靖怡2位行业专家，于2023年5月18日做客线上直播间，揭开外泌体的神秘面纱。

大多数人身上携带真菌白色念珠菌，没有它会引起很多问题。然而，这种真菌的全身感染是危险的并且难以治疗。很少有抗菌剂是有效的，而且它的耐药性正在增加。包括格罗宁根大学副教授 Albert Guskov 在内的一个国际科学家小组已经使用单粒子冷冻电镜来确定真菌核糖体的结构。他们的研究结果近日发表在《科学进展》上，揭示了新药的潜在目标。白色念珠菌通常不会引起任何问题，或者只是容易治疗的皮肤瘙痒感染。然而，在极少数情况下，它可能会导致可能致命的全身感染。现有的抗真菌药物会引起很多副作用并且价格昂贵。此外，白色念珠菌的耐药性越来越强，因此确实需要新的药物靶点。“我们注意到没有抗真菌药物针对蛋白质合成，而一半的抗菌药物会干扰这个系统，”Guskov说。造成这种情况的一个原因是真菌核糖体，即将遗传密码转化为蛋白质的细胞机器，在人类和真菌中非常相似。所以，你需要一种非常有选择性的药物来避免杀死我们自己的细胞。——Albert Guskov，格罗宁根大学副教授原子分辨率因此，Guskov 和他的合作者推断，获得白色念珠菌核糖体的结构对于寻找药物靶点很有价值。经典的方法是从纯化的核糖体中生长晶体，并使用 X 射线晶体学确定它们的结构；然而，这是一项费力的技术。相反，他们使用单粒子冷冻电镜，其中大量单粒子在电子显微镜中在非常低的温度下成像。从不同角度看到的单个粒子的图像随后被组合以产生原子分辨率的结构。突变' 通过这种方式，我们解决了空缺和抑制剂结合的真菌核糖体的结构，并将它们的功能与酵母和兔子的核糖体进行了比较——后者作为人类核糖体的模型——并重复了与不同核糖体结合的核糖体抑制剂，”Guskov 解释道。其中一种抑制剂是抗微生物放线菌酮 (CHX)，已知白色念珠菌对其具有抗药性。通过比较这些结构，科学家们注意到在蛋白质合成中起关键作用的 E 位点的单个突变阻止了 CHX 与白色念珠菌核糖体结合。 ' 突变将这个E位点结构中的一个氨基酸从脯氨酸改变为谷氨酰胺。这种替代减少了结合位点的大小，因此抑制剂不能附着，因此无效。另一种抑制剂叶花苷不会被突变阻断。威胁' 通过比较白色念珠菌和人类空缺核糖体中 E 位点的结构以及不同抑制剂与该位点结合方式的信息，我们可以开发出一种特异性抑制剂，它可以阻断真菌核糖体，但不能阻断人类的核糖体。这将成为治疗真菌感染的选择性药物。科学家们目前正在筛选分子库以寻找药物先导物。 “开发针对白色念珠菌的疫苗极具挑战性，就像我们针对冠状病毒所做的那样。因此，我们需要药物来治疗全身感染，”Guskov解释道。 “这种真菌日益增加的耐药性是一个真正的威胁。如果这种情况继续下去，除非开发出新药，否则我们可能会遇到严重的麻烦。Source:University of GroningenJournal reference:Zgadzay, Y., et al. (2022) E-site drug specificity of the human pathogen Candida albicans ribosome. Science Advances. doi.org/10.1126/sciadv.abn1062.

“浓缩”作为大部分生物实验中的必备环节，对提高样本浓度和结果分析的准确度起到了重要作用，随着科学技术的发展，低温、离心技术与浓缩技术进行了融合，并逐渐走向成熟。最初，国内主要依赖进口设备，直到2018年，北京吉艾姆仪器有限公司（以下简称“吉艾姆”）推出了性能可媲美国外产品的冷冻离心浓缩仪CV600，该款仪器的推出填补了该领域国产仪器的空白。近日，仪器信息网走进吉艾姆，与总经理齐建志进行了面对面交流。吉艾姆总经理齐建志吉艾姆成立于2017年，以真空浓缩解决方案为核心，是一家集研发、制造、销售服务为一体的综合性科技企业，公司在北京、上海、武汉、广州、深圳等8所城市均设有办事处，服务客户超过2000家。如今，吉艾姆已经成为了中南高科产业园认定的“5S标杆企业”（Seiri整理、Seiton整顿、Seiso清扫、Seiketsu清洁和Shitsuke素养），整个生产流程都可按照5S标准溯源。齐建志表示：“我们是国内唯一一家专业做离心浓缩产品的企业，当前主要在做国产替代，并且已经抢占了一部分进口品牌的市场份额，许多科研平台的真空浓缩仪基本上用的都是我们的产品。目前，我们在国内的市场份额已经成为了国产Top1。”“5S标杆企业”荣誉展示吉艾姆部分合作伙伴展示据悉，冷冻离心浓缩仪CV600是吉艾姆早期推出的仪器型号，这款产品不仅在当时填补了国产冷冻浓缩仪的空白，更是将冷冻浓缩设备的价格从40多万元拉到了20万元以下。“虽然这款产品是在2018年推出的，但时至今日，我们家的冷冻浓缩仪依然是市场主流产品。”据齐建志介绍，这款产品当前主推蛋白质组学、代谢组学方向。冷冻离心浓缩仪CV600经过两年多的研发，Auto R1、Auto R1-Plus、Auto R3等Auto系列产品相继问世。Auto 系列采用新型电磁驱动系统，具有大扭矩、低震动、耐腐蚀的特性。值得一提的是，Auto D2可以一次性放置16块酶标板，“这也很大程度满足了药明康德、康龙化成等CRO公司对大批量药筛的要求。”齐建志说，“这个系列的产品目前十分畅销，并且远销海外，用过我们产品的用户对我们都很认可，可以说，只要用过了吉艾姆，基本不会再选择别的品牌。”吉艾姆Auto系列在齐建志的带领下，我们走到了MC系列的展区。他把这个系列定位为“经济型”。在保证产品品质的基础上，吉艾姆专门针对那些经费有限的科研人员推出了MC系列，与其他品牌的产品相比，在仪器体积大小相同的情况下，MC系列产品可以凭借“转子叠加”直接将样本量提升2-3倍。“对于该系列中最小的一款产品MC-1来说，宽度虽然只有28厘米，但它一次实验的样本量最大可以达到132个。”齐建志举例道。这在保证了高通量的同时也在很大程度上满足了实验室对仪器小型化的要求。据悉，吉艾姆最新推出的MC-8一体式冷冻离心浓缩仪在保留了高通量的基础上还将冷阱内嵌到了离心浓缩仪的腔体内，“这也是整个行业里体积最小的一款腔体内自带冷阱的冷冻型浓缩仪。”齐建志骄傲地说。吉艾姆MC系列此外，齐建志还为我们介绍了高效低温冷阱和超低温冷阱。部分冷阱展示（左：JM50-Plus，右：JM60-Plus）至此，吉艾姆在离心浓缩领域已经拥有了“技术突破”型、“海外销售”型、“经济适用”型三个系列主流产品，并围绕离心浓缩仪的核心零部件进行了自主研发，例如真空泵、冷阱等。谈及当前科学仪器的发展趋势，齐建志表示，随着自动化趋势加速发展，不少实验室正在打造自动化、智慧化实验室。“在这个过程中，‘浓缩’环节自动化却是一个大难点，因为在浓缩这一步常用的就是旋转蒸发仪，但旋转蒸发仪需要手动，很难将旋转蒸发仪与机械臂协同起来。”为解决这一难点，吉艾姆自研了可集成到当前的许多设备中的自动化离心浓缩仪，成功地进军了自动化领域。接下来，吉艾姆的产品线将会延伸到何处呢？让我们一起期待一下吧！

冷冻干燥（也称为冻干）行业对生产力和盈利能力的需求正在增加。这种增加促使业内从业者考虑冷冻干燥与喷雾干燥相比的优势。因此，在本文中，我们在考虑两者的优势，以帮助您选择最适合您的项目和产品的干燥技术。冷冻干 燥or喷雾干燥如何抉择？ 干燥在生物制药行业被广泛认为是保存各种药物制剂和生物制品的首选方法。当液态稳定性不足、储存要求过于严格或需要固体形式的产品以延长保质期或实现不同气候和环境之间的运输时，就需要使用合适的干燥技术。 冷冻干燥无疑是各种材料和应用中公认的“首选”干燥工艺。然而，由于成本、API的可用性以及有时加工和生产量，对替代方法进行评估以确保使用最适合产品和/或项目的干燥方法。 *的冷冻干燥替代方法是喷雾干燥。喷雾干燥具有多种优势。尽管与冷冻干燥相比，它是行业中的新手，但它展示了在可扩展级别（连续而不是逐批处理）处理更高吞吐量的能力。因此，喷雾干燥也可被视为产品干燥的可行选择，具体取决于相关加工要求和产品应用。两者的干燥过程冷冻干燥冷冻干燥的原理涉及以受控方式对产品进行初始冷冻，以控制冰晶结构。 然后将其置于真空中，在真空中进行升华（或初步干燥）以去除未结合的水。接下来是二次干燥以升华结合水，将材料降至用户定义的残留水分水平。此阶段的目标是结合水而不是未结合/游离水，因此需要更多的能量来通过将搁板温度提高到+20°C或更高来驱动该过程。当加上低气压时，它会导致冰直接变成水蒸气（通过液相），这个过程叫做升华。 根据在给定冻干周期中干燥的样品的性质，温度和真空之间的微妙平衡对于确保在干燥后生产成功的批次而不影响产品功效和活力至关重要。为实现这一点，不同类型的产品及其体积可能需要根据其固有的样品特性进行12小时到5天的冷冻干燥。喷雾干燥喷雾干燥通常被认为是一个更简单（和更快）的过程，涉及在一个步骤中将液体制剂转化为干粉。溶液被雾化成细小的液滴，然后在一个大室中使用热气体快速干燥。然后用旋风分离器收集所得干燥颗粒。尽管根据经验，喷雾干燥比冷冻干燥更快且更便宜，但其中一个显着缺点是它需要高加工温度和剪切力。当然，在受到严格控制的制药和生物技术行业中，这些是许多客户力图避免的，在这些行业中，有效性的可行性和工艺参数与敏感的 API 和配方相关；因此，喷雾干燥更适合用于相当耐寒的产品。冷冻干燥中的产品温度在初级干燥中通常低于0°C，在二级干燥中通常为20-30°C，而喷雾干燥中的产品温度通常高于 80°C。在这些较高 (80°C) 温度下工作的直接影响可能是干燥后样品质量在固有产品特性方面的整体损失，例如：1.功效/生存力；2.味道/气味/颜色；3.一致性；4.营养价值，即食品相关产品中的营养素；5.生物产量—更高水平的细胞（即细菌）对数减少；6.蛋白质降解。 行业中的应用这两种工艺都可用于广泛的应用。例如，冷冻干燥通常用于保存不同类型的细胞、精细化学品、实验室试剂和注射疫苗，以及食品工业和乳制品。因为它通常是用直接装在小瓶或其他容器中的产品进行的，所以这种加工方法最适合干燥后不需要进一步加工的配方；此外，小瓶可以在冷冻干燥机的原位密封，从而避免循环完成时的潜在污染。另一方面，喷雾干燥更常与批量加工相关，而不是基于小瓶的加工。 然而，一个普遍的误解是喷雾干燥仅适用于食品和稳定的原料药，而当代研究表明它可能是用于某些复杂产品（例如微囊化细菌和纳米颗粒）的有效方法。 效率、质量与成本人们普遍认为与喷雾干燥相关的成本低于冷冻干燥的成本，这使得该技术成为某些市场感兴趣的技术之一。与冷冻干燥相关的分批形式不同，喷雾干燥对更大的吞吐量潜力更开放，可以被视为“连续过程”。此外，冷冻干燥的优势在于产品的稳健质量。 精确控制低加工温度可*限度地降低产品固有特性的任何风险，例如塌陷、共晶熔化或超过玻璃化转变温度，从而使冻干产品加工成最高质量。生物制药在喷雾干燥过程中可能会受到剪切应力，再加上所需的高加工温度会使蛋白质等化合物不稳定并损害产品性能，*降低产品功效。总结总之，两种产品干燥工艺方法在正确使用且适用于合适的产品时都是有效的。为了在包括干燥阶段的产品加工中获得*结果，*决定哪种方法最适合项目或持续加工需求的因素将是*产品的质量及其如何到达*用户 。

2016年6月16日，由北京博医康举办的冷冻干燥技术研讨会在博医康总部举办，来自北京地区的科研人员及冻干机用户参加此次研讨会。会上，博医康将其积累多年的冷冻干燥相关的技术与实践经验与到会人员进行了分享和研讨。　　此次研讨会吸引了包括中国科学院生物物理研究所、北京博奥生物、北京科兴生物、北京健乃喜生物等在内的十多家科研单位及冻干技术应用企业的参与。通过此次研讨会，博医康希望能够加强与冻干技术研究人员及冻干机用户之间的交流。基于以往对客户反馈信息的收集，研讨会设有冻干过程参数测量，冻干工艺优化，以及冻干机操作培训等诸多环节。　　北京博医康副总经理叶明徽作为研讨会主讲人，在现场为与会人员讲解了冻干参数测定、冻干工艺优化等相关研讨内容，并在现场讨论过程中，对与会人员提出的问题进行了一一解答和回复。而除了研讨内容，博医康还为到场冻干机用户特别安排了冻干机现场操作培训等活动，为用户更进一步了解和掌握冻干技术提供了帮助。　　近年来，博医康在冻干机生产制造领域不断高歌猛进，发展迅速。其研发推出的各系列冻干机产品，也成为了很多用户替代国外进口冻干机设备的重要选择。而此次研讨会的举办，也反应出博医康在不断推进其产品端硬件发展的同时，也对冻干技术的普及与推广等软件工作毫不放松，这也显示了这家领袖级的企业所具备的行业责任心。

撰文丨王冯斌博士"Truth never triumphs - its opponents just die out." - Max Planck.普朗克大佬的意思大概是 "Old theories never die only their proponents do"。某些科研领域确实存在一些很尴尬的现象，一个方向停滞不前，是因为多年前领域里的大佬一把油门把别人带到坑里去了，然后大佬又因为不为人知的原因，死活不承认。今天要讲的，就是一个这样的故事（编者注：2022年7月7日，弗吉尼亚大学王冯斌博士以第一作者身份在Nature Microbiology上发表了文章Cryo-EM structure of an extracellular Geobacter OmcE cytochrome filament reveals tetrahaem packing）。德里克老铁是一个有名的微生物学家。35年前在华盛顿DC的河流沉积物里发现了一种厌氧菌，这个菌就厉害了，能产生一种好几微米长的“导电毛”，在很长的距离传导电子，进行能量代谢。德里克研究这种导电毛一搞就是30来年。后来他们发现，一但敲掉一个叫pilA-N的“第四型菌毛”的基因，导电毛就没了。pilA-N呢，结构上只是一个很疏水的长helix，是第四型菌毛中间的疏水核心。尽管pilA-N在很多结构生物学家眼中可不可溶都是个问题，德里克老铁却认定了导电毛一定是pilA-N，坚信自己可以守得云开见月明。随着冷冻电镜技术革命，现在大家也不用天天只靠遗传实验做这些判断了。想知道导电毛是啥？放在冷冻电镜下看看喽。2019年，我们直接用冷冻电镜观察了导电毛，至于它的组成与第四型菌毛蛋白之间的关系，只能说是毫不相关。导电毛其实是multi-heme cytochrome形成了一种之前从没被发现过的菌毛，而multi-heme的细胞色素，大家早就知道它们可以传导电子了（详见BioArt报道：Cell | 王冯斌博士等解析地细菌导电纳米线的冷冻电镜结构）。德里克老铁没有欣然接受这一现实，而是继续选择逐梦第四型菌毛。他声嘶力竭的质问，为啥突变了pilA-N，导电毛就没了？啊？尼秋老铁是德里克之前的博士后，现在已经是名校教授，非常的“父慈子孝”。在2021年发表了一个相对令人信服的模型，说第四型菌毛在该菌里包括两个蛋白pilA-N和pilA-C，第四型菌毛平常是不分泌到细胞外的，基本上相当于一个泵，有事没事动一动，把细胞色素形成的导电毛给怼出去。(ref: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03857-w)德里克老铁彻底的愤怒了，说“冷冻电镜看不到我说的3nm的pilA-N“导电毛”不代表它就不存在！我用AFM就能看见！你们冷冻电镜都是artifact！”你看，这不是巧了嘛。我们最近又做了一些别的冷冻电镜的观察。我们把初代“导电毛”的关键氨基酸给突变了，本来想研究研究突变的初代导电毛。您猜怎么着，如果用一个一般的promoter表达突变，我们压根看不到突变的初代导电毛，反而看到了一种新的导电毛，OmcE。猜猜他是啥，还是细胞色素。谁能想到细胞这么“聪明”，连初代导电毛的替代品都悄默默的存好了。如果用一个过表达的promoter，不仅可以看到OmcE，还能看到初代菌毛的一些bundles，还有少量把他们泵出来的第四型菌毛(pilA-N和pilA-C，他们分开的话pilA-N很可能不可溶)。可能是表达的太猛烈了，泵工作的太猛，把自己都怼出来了。图 OmcS导电毛的替代品, OmcE那么，就真的没有3nm的毛了嘛？德里克老铁眼神儿就那么不好吗？其实还真有一个2.5nm左右的毛，偶尔会出现。加了Dnase I就会消失，是的，它就是——B-form DNA。图：所有毛的画像别着急，还会有新的细胞色素导电毛被发现的。我期待德里克老铁改变自己看法的那一天。

生物大分子的结构与功能随着细胞生理状态的变化而不断进行动态调整。原位结构生物学是在接近自然生理状态下研究生物大分子结构和功能的科学。原位冷冻电镜技术（Cryo-ET）以高分辨率和在接近生理条件下观察样品的特点，成为原位结构生物学研究的关键手段。原位冷冻电镜的技术流程涉及样品制备、数据采集、电子断层重建、颗粒挑选、粒子平均等步骤。生物大分子的颗粒挑选即定位识别是关键环节之一。受限于Cryo-ET图像的极低信噪比和重建伪影等因素，成千上万个目标颗粒的手动挑选耗时费力。而现有自动挑选方法的应用受到人工标注量高、计算成本高和颗粒质量不理想等方面的限制。3月7日，中国科学院生物物理研究所蛋白质科学研究平台生物成像中心与自动化研究所多模态人工智能系统实验室合作，以人工智能技术赋能原位结构生物学，提出了基于弱监督深度学习的快速准确颗粒挑选方法——DeepETPicker。相关研究成果以DeepETPicker: Fast and accurate 3D particle picking for cryo-electron tomography using weakly supervised deep learning为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。DeepETPicker仅需少量人工标注颗粒进行训练，即可实现快速准确三维颗粒自动挑选。为了降低人工标注量的需求，DeepETPicker优选简化标签来替代真实标签，并采用更高效的模型架构、更丰富的数据增强技术和重叠分区策略以提升小训练集时模型的性能；为了提高颗粒定位的速度，DeepETPicker采用GPU加速的平均池化-非极大值抑制后处理操作，与现有的聚类后处理方法相比提升了挑选速度数十倍。为方便用户使用，该团队推出了操作简洁、界面友好的开源软件，以辅助用户完成图像预处理、颗粒标注、模型训练与推理等操作。科研人员在冷冻电子断层扫描图像中使用DeepETPicker挑选颗粒的整体工作流程，包括训练阶段和推理阶段。在训练数据的准备阶段，研究优选了弱标签TBall-M来代替真实掩模以减轻人工标注负担。在模型架构的设计方面，研究引入坐标卷积和图像金字塔到3D-ResUNet的分割架构以提高定位的准确性。在模型推理阶段，DeepETPicker采用重叠断层图分区策略，避免了因边缘体素分割精度不佳而产生的负面影响，进而结合MP-NPMS操作加速了颗粒中心定位过程。该研究在多种冷冻电子断层扫描数据集上，将DeepETPicker与目前性能最优的颗粒挑选方法进行性能评估对比，采用六个定量指标全面评价颗粒挑选的质量。结果表明：DeepETPicker在仿真数据集与真实数据集上均可实现快速准确的颗粒挑选，且综合性能优于现有的其他方法；生物大分子结构重建得到的分辨率达到采用专家人工挑选颗粒进行结构重建的同样水平。这体现了DeepETPicker在原位高分辨率结构解析中的实用价值。DeepETPicker有望为采用原位冷冻电镜技术的原位结构生物学研究提供支持。研究工作得到中国科学院战略性先导科技专项（B类）、国家自然科学基金、国家重点研发计划等的支持。相关技术已获得中国发明专利授权。在冷冻电子断层扫描图像中使用DeepETPicker挑选颗粒的整体工作流程

在适当的时候结束初级和次级干燥步骤是提高冷冻干燥过程效率的一个关键方面。使用压力作为终点判定标准是确定这两个冻干步骤终点的一个很好的方法。下文中会描述原理和相关的工具来进行压差测量。文中的实验数据对建立最合适的终点标准时会起到作用。上周末我和一群朋友去山里徒步旅行。我们走了几个小时，午饭时间到了一间小屋。此时，我们已经完全没有体力活动和呼吸新鲜的空气了。我们坐下来，点了很多好吃的东西，然后开始把自己弄得傻乎乎的。当我发现肚子里有压力和疼痛时，我才停下来。我的胃不舒服地扩大了我徒步旅行短裤的腰围，并成为这个午餐时间暴食的一个明显的终点标准。当我坐在那里，试图消化和准备继续前行时，我陷入了沉思。老实说，每当我陷入思考的时候，我通常都在想着实验室。当我感觉到胃里的压力逐渐减轻时，我回想起的不仅是一顿丰盛的饭菜，还意识到压力对于判定终点非常有帮助。我在之前已经讨论了冷冻干燥后使用温度来确定次级干燥步骤的终点。在这里，我想给您介绍一个基于压力差的替代方法。冷冻干燥事实上，压力差测试是一种非常好的无损终点检测方法，用于确定初级或次级干燥阶段的结束。该技术使用两种不同的压力计，一个皮拉尼传感器和一个电容压力计。皮拉尼传感器的工作原理是气体的热导率随压力变化。压力计用一根细导线悬挂在气体中，用电流加热来测量压力。在高压下，由于周围气体分子与金属丝的高碰撞率，金属丝将热能损失给气体。这一原理如下图所示。当真空降低时，气体分子的数量和周围介质的导电性一起减少。然后，媒介开始慢慢失去热量。由于这一过程依赖于气体分子的热导率和气体成分，皮拉尼传感器只能在其校准条件下显示正确的压力，而校准条件通常设置在纯氮或空气环境中。除了皮拉尼传感器外，电容式压力计还用于独立于气体成分测量压力。对于这种类型的压力计，电容信号的差异是由压力计内部的物理变化产生的，而不是气体性质的变化。因此，用电容式压力计测量压力与气体成分无关。如果您像我一样，您可能会想知道这两种工具在这种终点确定中是如何协同工作的。在冷冻干燥过程中，由于冰的升华，干燥室内的气体几乎完全由水蒸气组成。样品干得越多，气体成分的变化就越大。水蒸气被氮气或空气代替，直到干燥过程结束时，室内气体只含有纯氮气或空气。由于水蒸气的热导率比氮气的热导率高约 1.6 倍，皮拉尼压力计在纯水环境中的测量偏差约为 60%。皮拉尼压力计和电容式压力计只能在样品干燥后测量相似的压力，并且室内气体的成分主要是纯氮或空气。因此，当到达终点时，两个工具显示的压力相同。下图以图形方式描述了该过程。重要的是，压力波动阻止了这两种测量工具之间的差异达到零。一个合适的终点标准应高于压力波动引起的差值。该值还应足够低，以确保在切换到下一个冻干步骤之前，两个显示压力之间的差异在给定的时间内最小。听起来很简单。但是如何真正建立一个合适的终点标准呢？为了找到合适的压差，我们使用测试方案进行多次测试：我用甘氨酸溶液（去离子水中 5%W/V）作为试验溶液。将溶液在 -40°C 下冷冻 24 小时以上，并在冷冻干燥机上以 0.3mbar 的压力进行干燥。重要的是，在每次冻干循环之前，应进行真空试验，以校准皮拉尼压力计。此步骤是强制性的，以确保皮拉尼压力计在干燥阶段前后显示正确的压力。为了找到一个合适的终点标准，我以不同的压差作为终点标准进行了多次试验。当隔板的温度与样品的温度一致，两个压力计的压力合并时，终点检测成功。结果如下图所示：上图所示为压差为 0.05 mbar 的结果，中间图为 0.03 mbar，底图为 0.025 mbar 作为终点标准。在达到终点标准之前，压差至少保持 60 分钟。隔板温度用黄线表示，样品温度用红线表示，干燥箱压力用绿线表示，皮拉尼压力计在初级干燥（白色阴影）和二级干燥（灰色阴影）上用蓝线表示。同时显示达到压力（黑线）和温度终点标准（黑色虚线）的时间，以及该点相应的温度和压力差。结果表明，只有在压差为 0.025mbar 的循环中，压力曲线和温度曲线在切换到二级干燥之前同时合并。在 0.30 mbar 的设定压力下，0.025 mbar 或更小的压差保持 60 分钟以上可被视为合适的终点标准。对于简单的甘氨酸溶液来说，这没问题，但是对于那些需要二级干燥的更具挑战性的样品呢？嗯，我决定用美味的草莓进行冷冻干燥实验。草莓在 -40°C 下冷冻 24 小时以上，并在 0.3 mbar 的压力下冷冻干燥，初级干燥时隔板温度为 25°C，二级干燥时为 40°C。选择 0.025mbar 的压差作为终点标准。最大的草莓带着一个热电偶，这样样品的温度就可以与隔板温度相比较。上图显示了整个冻干循环，下图显示了二级干燥步骤的截取图。隔板温度用黄线表示，样品温度用红线表示，干燥箱压力用绿线表示，皮拉尼压力计用蓝线表示。图中的白色阴影表示初级干燥，而灰色阴影表示二级干燥。同时还显示了达到终点标准（黑线）的时间以及该点对应的温差。另，下图中的顶部线显示 37 小时后到达终点。此时，温度曲线和压力曲线在循环转换为二级干燥之前同时合并。在草莓的二级干燥过程中，当隔板温度升高（下图）并开始蒸发时，皮拉尼压力计出现一个明显的峰值。当使用温度测量来确定终点时，通常会忽略这个峰值，这表明了比较压力测量可以用于评估具有挑战性的样品的终点标准。我想指出的是，一个合适的终点标准是高度依赖于冷冻干燥循环中的干燥箱室压。这是因为干燥阶段的压差不是绝对的，但始终是在 60% 的室压下。因此，如果冷冻干燥方法的干燥腔室压力发生变化，则需要重复实验过程寻找适当终点标准。二级干燥阶段的终点标准也应适用。在这里，最大压差通常不会达到干燥箱压力的 60%，因为样品中只剩下小部分水。与一级干燥相比，考虑较小的压差可能是有必要的，压差需要持续较长的时间，作为二级干燥的终点标准。这种方法也应该首先通过测试运行来验证。抱歉，我要去吃午饭了。这一次，我将尽量保持我的腹部和裤子之间的压力差达到最小。希望您能对更多的冻干和色谱知识保持渴望，并继续通过步琦学堂满足您的胃口。下次见！扫描左侧二维码可直接拨打电话联系我们或直拨：400-860-5168 分机号：0728仪器信息网认证，请放心拨打

冷冻TEM薄片制备和冷冻体积成像的全新工作流程解决方案 蔡司冷冻关联工作流程联接了光学显微镜和双束电镜(FIB-SEM)，从而用于分析细胞的超微结构随着蔡司冷冻关联工作流程的发布，蔡司为生命科学研究团体提供了一种新的软硬件结合的冷冻显微镜解决方案。该工作流程将宽场显微镜、共聚焦显微镜和双束电镜(FIB-SEM)无缝地连接起来，且便于使用。该解决方案提供了针对冷冻关联工作流程需求而优化的硬件和软件，从荧光大分子的定位到高衬度体积成像和用于冷冻电子断层成像的薄片减薄。冷冻关联显微镜技术是一种新兴的大分子结构分析技术。由于细胞和组织的超微结构可以不带人为假象的保存下来，因此冷冻显微镜可以在接近自然的状态下观察细胞结构。然而，这项技术却给用户带来了复杂的挑战，例如耗时的样品制备和成像流程、去玻璃化、冰晶污染或样品丢失。“在蔡司，我们通常致力于确保研究人员能够更快地采集数据，更好地分析数据。借助蔡司的冷冻关联工作流程，我们正朝着简化和优化科学家的工作流程的方向迈出下一步，以便他们能够完全专注于自己的研究。” 蔡司研究显微镜解决方案负责人Michael Albiez博士强调道。各种研究领域，如细胞生物学、癌症研究、植物科学和发育生物学，都将受益于冷冻显微镜获得的超微结构信息。蔡司冷冻关联工作流程帮助研究人员更容易获得这一先进技术，使他们能够更快地评估样品的质量，获得高分辨率、高衬度的3D数据流，并简化TEM薄片制备的工作流程。简化的工作流程和样本的安全传输蔡司冷冻关联工作流程联接宽场显微镜或共聚焦显微镜（蔡司Axio Imager、蔡司LSM 900/980 with Airyscan）和双束电镜（蔡司Crossbeam），以实现体积成像和TEM薄片的高效制备。专用的配件简化了工作流程，并有助于在显微镜之间安全的转移玻璃化样品。这些部件与冷冻关联显微镜样品台台Linkam CMS196V³和冷冻传输系统Quorum PP3010Z兼容。数据管理由蔡司联用软件ZEN Connect负责。这一系列的工具都有助于增强成像效果。最高的成像性能贯穿全工作流程得益于适用于冷冻成像的物镜和蔡司Airyscan探测器的高灵敏度，蔡司共聚焦显微系统能够以高分辨率探测和定位蛋白质和细胞结构，同时温和的光照可以防止样品去玻璃化。蔡司双束电镜Crossbeam提供了高衬度体积成像-甚至样品没有经过重金属染色。这两种方式为彻底了解超微结构提供了有价值的功能和结构信息。在室温下使用可提高工作效率不同于其他解决方案，该工作流程中使用的蔡司显微镜不仅可用于冷冻显微镜技术，也可用于室温的应用。将设备从冷冻状态转换为室温状态非常快速且无需专业技术。这种灵活性为用户提供了更多的实验时间。成像平台可以从更高的利用率和更快的投资回报中受益。

喷雾干燥 & 冷冻干燥技术制备白细胞介素粉体研究趋化因子是一种小的(8-12 kDa)细胞因子，参与许多病理过程，因此是重要的靶点。它们通常由不同类型的细胞(如白细胞)分泌，并通过与同源 G 蛋白偶联受体的细胞表面结合来介导生物学效应。趋化因子配体和受体有 50 多种，根据其初级氨基酸序列的半胱氨酸残基排列进行分类和命名。趋化因子可用于(慢性)炎症性疾病、癌症和感染性疾病的治疗应用。目前，市场上有两种基于白介素的产品，即重组白介素-11预白介素(Neumega® )和重组人白细胞介素-2醛白介素(Proleukin® )。Neumega® 是一种由大肠杆菌重组 DNA 技术产生的血小板生成生长因子，可静脉给药。皮下应用的 Proleukin® 是一种淋巴因子，也是通过转基因大肠杆菌的重组 DNA 技术产生的。为了增加储存的稳定性、保持药物的生物活性，Neumega® 和 Proleukin® 都采用冷冻干燥的工艺，制成冻干粉制剂使用。虽然冷冻干燥（FD）是一种广泛使用的技术，具有多种优点，可以快速、温和干燥，但喷雾干燥(SD)可以缩短工艺周期，并可以在常压下进行加热处理。同时，颗粒的性质，如粒径、固体状态和残余水含量可以通过参数进行调节。这里必须指出的是，蛋白质的变性或/和展开也可能发生在 SD 过程中，SD 过程的放大是复杂和高成本的。SD 的另一个重要挑战是粉体回收率低于 100%，这对于高成本疗法和工艺开发来说是一个问题，特别是放大到最终设备上。对于白细胞介素，已经有了一些成功的冷冻干燥研究案例。然而，据我们所知，SD 作为一种替代方法尚未被研究过。这项工作的目的是开发一种 SD 工艺，使模型白介素以一种保留白介素结合亲和力和生物活性的方式干燥。为此，我们使用了模型白细胞介素，探索喷雾干燥工艺的潜在可行性，并对比分析冷冻干燥和喷雾干燥工艺对白细胞介素活性影响。1材料在磷酸盐缓冲盐水中提供野生型CXCL8（CXCL8，72个氨基酸，8.4kDa）、CXCL8的突变体（dnCXCL8，66个氨基酸，7.7kDa）等各种试剂。将蛋白质溶液用PBS稀释至最终蛋白质浓度为1mg/ml，即1% w/w。冷冻干燥机喷雾干燥仪：BUCHI B-90 HP▲ 步琦纳米喷雾干燥仪 B-90 HP2实验过程配方溶液分别采用如下冻干程序（表1）和喷干程序（表2）进行样品制备。干燥后的样品在 4-8℃ 的氩气干燥器中保存 12 周。并进行粉体的物性表征。表1，适用于所有配方中 FD 程序。箭头表示间隔内的压力或温度增减。间隔冻干工艺时间间隔[hh：mm]温度[℃] 压力[mbar]0速冻，放入小瓶～00:20-196atm.1冻结，平衡02:00-20atm.2初级干燥00:30↑ -15↓ 0.0453_01:00-150.0454_10:00↑ 00.0455_08:0000.0456二级干燥01:30↑ +200.0457_02:30+200.0458结束，封装小瓶_～+25atm.表2，SD 工艺参数及由此产生的过程变量。通过使用纯缓冲液进行测量来确定以 ml/min 为单位的喷射速率。实验过程中喷嘴温度升高，喷嘴温度是在 SD 过程结束时观察到的温度 。进口温度[℃]喷雾速率[%]空气流量[l/min] 粒度[μm]6030（～0.51ml/min）100±27.0过程变量出口温度[℃]压力[mbar]喷头温度[℃]29±131±152±23实验结果1、 通过激光衍射分析测定粒径SD 蛋白粉通过 HELOS 系统的激光衍射分析进行筛选。在 SD 后和第4周、第8周和第12周将粉末直接湿分散在甲苯中进行分析。通过对同一批次 SD 粉的三个样品进行测量，确定了 PSD 分析的标准误差。不分析 FD 粉末的粒度，因为冻干物通常是最终的药物剂型，没有对饼状进行研磨或破碎，只分析了 SD 粉。图1 通过激光衍射分析测定粉体粒径，在 10 次超声脉冲后进行测量，SD 粉末的 PSD 随储存时间的变化不大。除了在第0周分析的 SD dnCXCL8 喷雾粉末和在第8周分析的 SD HSA-dnCXCL8 外，所有干粉的跨度都小于 2.8。在测量这两个 PSD 时，一些较大的团块将分布分别向 517μm 和 129μm 的 x90 方向移动(图1b、图1c)，导致 PSD 变宽。2、 圆二色光谱测定结构利用圆二色谱(CD)对 SD 和 FD 后的蛋白质二级结构的变化进行评价，并将其与未处理蛋白质的光谱进行比较。CD 光谱在设备上记录，波长为 190-250nm，使用 1mm 石英比色皿，响应时间 4s。5 次扫描取平均值，并用 PBS 校正背景，计算平均残基椭圆率，并绘制不同曲线。由 图4 显示，经过 SD 和 FD 后的 CD 光谱显示只有轻微的结构变化。液体白细胞介素制剂在 90℃ 温度下热处理5分钟，SD 温度在 60℃ 温度下热处理 5 分钟，会产生轻微的沉淀，但结构保持完整 (图4A)。dnCXCL8 也出现类似的结果。SD 和 FD 均未引起二级结构的改变。即使加热蛋白质也未引起二级结构的变化(图4B)。虽然 HSA-dnCXCL8 具有更明确的α-螺旋结构，但 SD 和 FD 后没有变化。在 90℃ 热处理 5min 后二级结构发生了完全损失 (图4C)。3、 离液展开测定稳定性采用荧光光谱检测gdmhcl在0-6M范围内诱导展开，并在SD和FD后和储存3个月后测定蛋白质稳定性。将样品稀释至0.7μM，并在室温下平衡5min。CXCL8 和dnCXCL8 的激发波长为 280nm, HSA-dnCXCL8 的激发波长为 290nm。在 300-400nm 范围内测量所有3种蛋白的发射光谱，并将狭缝宽度设置为 5nm。蛋白质展开的特征是波长移位，并使用 Origin 2019b 的玻尔兹曼进行计算得到如下图谱。图5 显示，展开的过渡中点和 CXCL8 的相对协同性在很大程度上没有变化。对于 dnCXCL8，无法建立明确的过渡点。对于 FD HSA-dnCXCL8 也观察到了同样的情况。对于参考光谱和 FD 光谱（HSA-dnCXCL8 除外），显示了标准偏差，如图中的误差条所示。4、 趋化性测试：博伊登室测定为了检测 SD 和 FD 后以及储存三个月后的白细胞介素的活性，进行了趋化试验测定中性粒细胞的活化和迁移，预计 CXCL8 具有促迁移作用，而 dnCXCL8 和HSA-dnCXCL8 不应表现出任何中性粒细胞迁移激活。使用 NIS-Elements BR 3.2 软件进行细胞计数，计算每种情况下的平均值和标准偏差。上图显示储存 12 周后 SD CXCL8 的 CI 较对照显著增加 (图6a, p = 0.05)。SD 和 FD CXCL8 在中性粒细胞活化和迁移方面没有变化。对于 dnCXCL8, SD 和 FD 样本的 CI 与各自的参考 CI 相当。HSA-dnCXCL8 在 SD 后 (即W0) 的 CI 显著增加 (图6c, p = 0.04)。4结论本研究针对磷酸盐缓冲盐水配制的白细胞介素（未添加额外添加剂）采用 SD 和 FD 两种干燥方式分别进行深入评估。用纯缓冲液进行的 DoE 确定了一种最佳的 SD 工艺，在 60℃ 的干燥空气温度、100 L/min 的空气流速和 30% 的喷雾速率下具有较高产率，这表明即使是热不稳定的蛋白质也可以喷雾干燥。此外，SD 工艺比 FD 更快、更有效，理论上导致每分钟产量比 FD 高 130 倍（甚至考虑到 SD 的产量仅 63% 和 77% 之间）。FD 粉末呈现饼状结构，而 SD 粉末的粒度为 X5020μm。这为粒子工程提供了定义粒子特性的可能性，允许更广泛的应用。RM 是可比较的，同样二级结构没有改变，结合亲和力和活性保持至少 12 周，这些结果表明白细胞介素的 SD 是可行的。未来，将继续优化本研究中的工艺参数，并将其转移到具有工业型台式喷雾干燥器中，以更大规模地系统考察粉体产量和工艺时间，从而对 SD 进行全面评估，作为 FD 的替代方案，实现经济快捷高效的生产！5文献来源Comparing freeze drying and spray drying of interleukins using model protein CXCL8 and its variants

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Toxic, hot, and spicy: Nanodiscs improve membrane protein resolution in cryo-EM(作者：Cube Biotech)Nanodisc结合冷冻电镜应用时 ，Nanodisc提升了通过冷冻电镜对膜蛋白的解析率，同时揭示了功能性磷脂所扮演的重要角色。The last few years have seen a tremendous increase in high-resolution protein structures solved by cryo electron microscopy (cryo-EM). Novel electron detecting cameras and sophisticated analysis software have expanded the capacity of cryo-EM to smaller and asymmetric proteins (1). As a true competitor to X-ray crystallography, cryo-EM is particularly interesting for hard-to-crystallize targets such as membrane proteins.在过去的几年里，使用冷冻电子显微镜（冷冻电镜）对蛋白结构高分辨率结构解析的应用有着很大地增长。新型的电子探测相机和复杂的分析软件使冷冻电镜的应用延伸到更小和不对称的蛋白结构解析（1）。作为X射线晶体法的真正强势的替代方法，冷冻电镜能把如膜蛋白等难以结晶的蛋白作为应用目标，并引起了各界广泛的兴趣。The importance of sample preparation methods for high-resolution cryo-EM data cannot be underestimated. Two recent Nature publications have shown that nanodiscs are not only excellent tools for membrane protein stabilization, but that they can also improve resolution, in particular of the transmembrane region, and enable analysis of interacting phospholipids.在应用的过程中，样品制备方法对得到高分辨率冷冻电镜数据的重要性是不可低估的。从最近的两篇发表到Nature的文章来看，Nanodisc不仅是膜蛋白稳定的优良工具，而且它也可以提高在电镜解析的分辨率，特别是膜蛋白的跨膜部分，同时能实现磷脂相互作用的分析。Toxic: Near-atomic detail of a bacterial Tc toxin membrane insertion (2). Stefan Raunser' s team at the Max-Planck Institute in Dortmund, Germany unveiled the mechanism used by bacterial Tc toxin as it enters the cell. Besides the high medical relevance of this project - Tc toxins include anthrax, plague, and scarlet-like fever toxins - the conformational changes these toxins undergo are simply fascinating. Secreted by bacteria as soluble proteins, toxins fold into channels that perforate the host membrane by a putative entropic spring mechanism. In previous attempts with detergent-solubilized protein, it was not possible to resolve the transmembrane region of the toxin. Now, using nanodisc-stabilized TcdA1 protein, researchers were able to achieve an overall resolution of 3.5 Angstrom, allowing them to describe this mechanically enforced membrane insertion mechanism for the first time.Toxic: Near-atomic detail of a bacterial Tc toxin membrane insertion (2)。德国马克斯普朗克研究所的Stefan Raunser团队阐述了细菌Tc毒素进入细胞的机制。除了这个项目的高度医学相关性价值外( Tc毒素包括炭疽，鼠疫，猩红热样毒素)这些毒素所经历的构象变化是有极大吸引力的。由细菌分泌的可溶性蛋白，毒素折叠成通道穿过宿主细胞膜。以前尝试使用去污剂溶解带跨膜区域蛋白进行分析，并不能很好地解析带跨膜区域的毒素。而现在使用Nanodisc稳定TcdA1蛋白，研究人员能够获得到3.5埃的解析度，这让他们有机会首先发现并描述了这种机械的强制膜插入的机制。阅读更多Nature原文Hot & spicy: Functional lipids enable detection of heat and hot spices (3). Yifan Cheng' s team at UCSF analyzed the tetrameric transient receptor potential vanilloid 1 (TRPV1) ion channel at 2.9 Angstrom resolution. TRPV1 reacts to many physical and chemical stimuli, including heat and capsaicin, an ingredient of chilli peppers. Nanodiscs were crucial to obtain a high resolution structure, as previous attempts with amphipol-stabilized complexes had only yielded a 3.8 A resolution.But nanodiscs played another important role in this analysis: By providing a phospholipid bilayer,they enabled the discovery of lipids with a structural function in ligand binding. Similar to the results of the Dortmund group, the transmembrane regions were those with the highest resolution, stressing the value of nanodiscs for cryo-EM analysis.Hot & spicy: Functional lipids enable detection of heat and hot spices (3).加州大学旧金山分校的程亦凡团队分析了瞬态电压感受器阳离子通道1(TRPV1一种在疼痛和热知觉中起中心作用的蛋白质）在2.9埃分辨率离子通道结构。TRPV1对许多物理和化学刺激，包括热、辣椒素(一种辣椒的成分)都有反应。Nanodisc是此研究中获得高分辨率的结构十分重要的因素，而以前的尝试使用双极性稳定复合物只得到了3.8个埃的分辨率。在这一研究中，Nanodisc还扮演了另一个非常重要的角色：通过提供一个磷脂双分子层，研究人员得以发现磷脂具有配基结合的结构功能。类似于Stefan Raunser团队的结果，跨膜区具有最高的分辨率，大大提升了Nanodisc在结合冷冻电镜分析膜蛋白应用中的价值。阅读更多Nature原文参考文献：1.Kühlbrandt, W. Cryo-EM enters a new era. eLIFE (2014) doi:10.7554/eLife.036782. Gatsogiannis, C. et al. Membrane insertion of aTc toxin in near-atomic detail. Nature structural and molecular biology (2016),23,884-890. doi:10.1038/nsmb.32813.Gao, Y. et al. TRPV1 structures in nanodiscs reveal mechanisms of ligand and lipid action. Nature (2016) 534(7607):347-351. doi:10.1038/nature17964

冷冻电镜+清华大学=CNS？在网络上时常能看见“冷冻电镜+清华大学=CNS”（Cell+Nature+Science，三大顶刊）的公式。这是在暗讽施一公从国外买回冷冻电镜后，接连在顶级期刊上发表论文。这种说法更多是出于嫉妒，设备与人之间是相辅相成的，就像我们承认高科技跑鞋对运动员的帮助，但我们依然会把赞颂送给博尔特这样的运动员而非跑鞋。不只是施一公，作为我国冷冻电镜的先行者，中国科学院院士隋森芳参与建设的清华大学冷冻电镜平台已成为世界上水平最高的冷冻电镜平台之一。隋森芳取得了一系列具有国际影响力的科研成果，即便年过七旬，依然奋战在科研前线。2017年，为表彰其在中国冷冻电镜领域的贡献，隋森芳被授予中国冷冻电镜终身成就奖。由此可以看出冷冻电镜这个仪器本身的重要性。目前，全世界只有美国赛默飞、日电和日立能生产，国内仿造都仿不出来，就连低端的扫描电镜，国产份额也不足10%。从另外一个角度来说，一旦该设备被国外卡脖子，那么国内相关领域的科研工作都要停摆。冷冻电镜改变了什么学术差距会因为科学仪器而拉开吗？答案是肯定的，截至2017年的诺贝尔奖自然科学获奖项目中，因发明科学仪器而获奖的占11%。其中72%的物理学奖、81%的化学奖和95%的生理学或医学奖都是借助尖端科学仪器来完成的。回到冷冻电镜本身，它是近年来生物学里比较热门的技术之一，是电子显微镜的一种。简单来说，就是能把样品速冻后进行观察，这样干扰更小精度更高。它是研究蛋白质结构的重要工具，一经问世就成了科研人员的最佳拍档。蛋白质是一切生命的物质基础，生命活动本质上都是蛋白质功能的体现，为了了解蛋白质的功能，从而解开生命的奥秘，就必须先了解蛋白质的结构，然而这并不容易。蛋白质这种大分子直径长不过100nm并且相邻原子间距不超过1nm，而可见光的最短波长也有380nm，也就是说，无论是人眼还是一般的光学显微镜都无法看清蛋白质的结构。在冷冻电镜之前，科研人员采用X射线射击分子样品，得到衍射照片，通过照片来分析大分子的微观结构。这种方式有个前提条件是需要样品分子能够结晶，形成稳定的有序晶体。而蛋白质大分子由于分子链太长，非常容易扭曲缠结，因而难以结晶。因此，不需要结晶就能拍照的电镜应运而生。可是大分子又因为布朗运动难以固定，所以有科学家想到了用低温冷冻的方式固定大分子，进行拍照。拍到的照片经过电脑处理，得出大分子的3D模型。从冷冻电镜诞生至今，使用此技术解析出的蛋白质结构已经超过一万种，这些成果极大地推动了生命科学的进步，同时也为很多疫苗和药物的研发提供了帮助。例如近几年投入使用的多款新冠疫苗，之所以能够如此快速地研发，离不开科研人员利用冷冻电镜解析出新冠S蛋白结构，从而提升了疫苗开发的针对性。冷冻电镜的价值还未完全展现随着冷冻电镜技术的持续进化，在药物发现和研发方面的应用将进一步打开。冷冻电镜技术对于基于结构的药物设计有着重要的帮助。对于药物研发人员来说，了解靶点的3D结构信息，可以快速建立化合物的构效关系。靶点的选取和结构解析直接决定了药物开发的成败。以经典的GPCR蛋白家族为例，GPCR即G蛋白偶联受体，是一大类膜蛋白受体的统称。广泛分布在人体内，功能复杂，与多种疾病的发生和进展过程都有所关联。目前FDA批准的药物中有超过30%是以GPCR蛋白为靶向。传统的X射线衍射方式解析GPCR蛋白的结构非常困难，在结晶过程中GPCR蛋白容易发生突变。而冷冻电镜可以直接用来解析经过处理后在生化上性质稳定的膜蛋白，并获得处于或者接近生理状态的蛋白结构。冷冻电镜在解析庞杂的膜蛋白结构的能力更加突出，并且已有大量的高分辨率结构被成功解析。冷冻电镜正在为越来越多的难结晶、甚至不可结晶的靶点进行解析，如分子量更大、更动态的蛋白质和蛋白质复合物。此外，冷冻电镜技术在开发抗体疗法、小分子药物和诊断方面的应用将会越来越多。不仅仅是生物学，冷冻电镜的广泛应用才刚开始。冷冻电镜作为结构生物学的科研工具，终极目标是了解生命的本质以及药物的发展，但在生物学之外，冷冻电镜未来还将在材料科学等诸多领域展示自身价值。目前，国内外高校的冷冻电镜在满足生命科学研究的前提下，积极探索其在其他学科的发展应用。早在2017年，斯坦福大学的研究团队就利用冷冻电镜对电池材料进行观察，掀起了冷冻电镜应用在材料学研究中的浪潮。锂枝晶是锂电池中最大的安全隐患，但锂元素非常活泼、对环境敏感的特质使得从原子层面解析锂枝晶的生长机理成为一个极具挑战的课题。受到冷冻电镜观察敏感生物材料的启发，研究团队使用冷冻电镜技术首次获得了锂枝晶原子分辨率级别的结构图像，还原了锂金属在温和环境下的结构，证明了冷冻电镜技术可以有效地对脆弱、不稳定的电池材料进行高分辨率表征，并且保持它们在真实电池中的原始状态。斯坦福大学的研究团队总结了近年来冷冻电镜技术在材料和纳米科学中的应用进展，发现随着冷冻电镜技术的日臻进步，在电池、聚合物、金属有机骨架、钙钛矿太阳能电池、电催化剂、量子材料等多个领域中长期悬而未决的问题，都能通过冷冻电镜技术来解答。作为一种低信号源激发测试技术，冷冻电镜技术在一些对电子束、热敏感材料，如钙钛矿材料、高分子材料、量子点等精细结构的物理表征与机理研究中也具有巨大的应用潜力。随着硬件设备与算法的改进，这项引领结构生物化学研究迈入新纪元的技术，未来必定拥有更加广阔的应用前景，甚至成为材料和纳米科学研究中的基础工具。市场需求旺盛虽然有卡脖子风险，但市场需求逐年递增。据发改委统计的2016年~2019年国内200万元以上科学仪器的采购数据，在光学显微镜领域，国产化率为0%；在电子显微镜领域，国产化率仅为4.42%。其他科学仪器如X射线类仪器（1.49%）、质谱类仪器（1.19%）、光谱-色谱（0.24%）。这些数据说明了一个现实，多种高端科学仪器基本被国外品牌所垄断，有着极高的“卡脖子”风险。2016年~2019年国内200万元以上科学仪器的采购统计，数据源于发改委然而，需求是实打实存在的。随着全球对生命科学、材料研究的探索和研究持续深入，国内众多高校、科研院所、半导体工业领域对于冷冻电镜的需求日益增长。从中国政府采购网搜索近几年冷冻电镜的中标数据可以清晰地看到，赛默飞的中标率极高，产品主要为200kV和300kV冷冻电镜。从中标数量来看，300kV产品的需求更加旺盛，因为300kV机型是进行结构分析的核心机型，而200kV产品通常用于样品中等分辨率解析和冷冻样品筛选，与300kV产品配套使用。从采购单位来看，包括复旦大学、河南大学、北大医学部、山东第一医科大学、浙江大学、华中科技大学、武汉大学、中国疾控中心、中科院物理研究所、中科院化学研究所等高校和科研院所都是采购的主力。赛默飞的300kV Krios G4、200kV Glacios是中标最多的产品。不仅是冷冻电镜本身，它还带动了周边产品和服务市场。比如实验室改造，像复旦大学冷冻电镜平台建设工程、四川大学冷冻电镜平台项目中标金额都超过千万元。由于冷冻电镜会产生海量数据，因此还需配套建设数据处理系统，复旦大学、南方科技大学、清华大学的相关项目中标金额都超过2000万元。仅看2022年的数据，国内中标17套冷冻电镜，赛默飞再次包揽，总中标金额超7亿元。除了广州实验室和山东第一医科大学分别采购了3套和2套300kV产品外，其他采购单位皆为200kV和300kV配套采购。此外，还有华中科技大学生物冷冻电镜平台这样的打包采购方案，总金额近1.3亿元。早在上世纪90年代初，美国商业部国家标准局发表过一份报告：仪器仪表工业总产值只占工业总产值的4%，但它对国民经济的影响达到66%。仪器行业，体量虽然不大，却有着“四两拨千斤”的效果。科学仪器是科学研究的基础工具，也是科技成果创新的重要形式，还是国民经济发展的重要支撑。这样重要的领域，需要国货尽快突围。国产替代尚需时日如此重要的一个科学仪器，国产品牌的话语权约等于零。以冷冻电镜为代表的科学仪器，被称为科学家的“眼睛”，是高端制造业皇冠上的明珠，然而这个市场却被海外品牌所垄断。据科技日报报道，近乎99%的科学仪器类电子显微镜市场份额被全球五家公司所占据。2020年，这类产品的全球市场销售规模约为35亿美金左右，其中国内市场约为60亿元人民币，可即使是最头部的国内公司，也只能从这块蛋糕中分走1%~2%的份额。这种规模的营收甚至还不足以覆盖研发上的投入。科学仪器的研发是场马拉松，跨国公司已经起跑了很久，国内企业尚在热身阶段，追赶难度巨大。冷冻电镜技术从上世纪80年代出现到如今已走过40余年的发展路程。而我国从2009年清华大学开始发展冷冻电镜的应用研究，购入亚洲首台冷冻电镜，到2018年南方科技大学总投资3.93亿元成立冷冻电镜中心，再到2021年国内采购冷冻电镜10套，2022年采购17套。国内众多高校与科研机构引进高端冷冻电镜用于科研不过10余年，相关人才稀缺，更谈不上国产化了。目前，冷冻电镜的核心零部件、设备整机、配套设备，分析软件和电镜数据库，几乎全部依赖进口。相关从业人员都是在进口设备搭建的“空中楼阁”上做研究，一旦被卡脖子，相关工作就不得不停滞。从技术发展而言，300kV和200kV产品技术门槛较高，而100kV或120kV产品打破了对于高电压的需求，电镜整体价格得以控制在300kV产品的十分之一，尽管产品性能稍逊，但亦可满足大部分的应用需求，六七百万的价格也比动辄六七千万的高端产品更容易普及。目前，国内已有团队针对此类产品进行研发。从市场角度而言，商业化的冷冻电镜服务平台或将得到良好的发展空间。如同20年前，人类第一组全基因组测序花费了30亿美元，而20年后的今天只需花费500美元。电镜的发展也将经历类似的效率革命。虽然包括冷冻电镜在内的电子显微镜有95%的产品都是进口，但已有企业着手研究其中核心零部件的国产化。如大束科技近年来自主研发了一系列电镜核心零部件，尤其针对部分消耗型部件做到了国产化，例如液态镓离子源、电子枪离子枪配件、光阑等。在最极端的情况下，即使在国内已经安装的进口电镜原厂家不再提供配件，相关产品也能保障这些进口电镜正常运行。在整机层面，也有聚束科技这样世界上少数几家能够独立设计和生产高端场发射电子显微镜整套系统的公司，但整体营收规模尚显弱小。如何破局？不仅仅是电子显微镜，在整个科学仪器层面，我国都处于落后局面。在全球Top20的仪器厂家中，8家来自美国，5家来自日本，德国和瑞士各有3家，还有1家英国企业，没有一家中国企业入选。仪器是认识世界的工具，是科学家洞察世界奥秘的一大助力，也是研发人员开发新产品的重要武器。从科研人员的角度，只要资金允许，用同行都认可的进口品牌仪器和设备更加省心，留给国产仪器的空间自然不大，不用就没有反馈、没有反馈就无法迭代，不能迭代产品力自然下降，产品力下降后用的人就更少，恶性循环就此产生。以科学仪器中的重要分支实验室分析仪器为例，全球实验分析仪器行业大约有700亿美金的规模，而中国市场总量仅占全球的7%，约为400亿人民币的规模。这个市场又被近20种不同类别的仪器所占据，其中体量较大的质谱仪也不过100亿规模。国产产品还需要与赛默飞、丹纳赫、岛津等品牌竞争，如果企业只做其中一种产品，可能很难发展壮大。数量多、规模小、基础薄是国内仪器企业的普遍生态，但最近10余年，行业也在变化，民营企业增多，海归人才创业增多，也有一批企业跑出来。如总部位于合肥的国仪量子，做的是量子精密测量仪器，发布了中国首台商用脉冲式电子顺磁共振（EPR）波谱仪，且具有自主研发实力和专业的服务支持体系。清华大学某实验室使用的进口波谱仪出现故障。若返回原厂维修，耗时长，花费大，于是实验室尝试联系国仪量子，仅用4个工作日，就解决了故障，比返回原厂维修，节约了近一个月的时间。国内企业的发展要找到自己的优势，搞清楚市场需要什么，自己能做到什么，用产品品质和专业服务同国外品牌竞争。回到冷冻电镜，它和光刻机一样，国外的产品经过几十年的技术积累才发展至此，如果急于在高端电镜领域竞争，以国内现有的技术积累，条件并不成熟。冷冻电镜设备或技术的研发涉及材料、光学、生物、计算科学、半导体、系统集成和先进制造等多个技术领域，加之冷冻电镜在过去很长一段时间都是一个相对小众的领域，我国缺乏对相关领域的重视和投入，自然缺少相关人才，这是不可回避的问题。如此背景下，从某些具体核心技术上发力或许是国内相关领域摆脱依赖、实现突围的战术选择。当下可以集中力量在图像采集技术、图像处理和结构解析，以及冷冻系统的样品制备技术等方面逐个突围。先在这些具体技术上发展，等掌握这些核心技术的发展之后，就有了一定的积累，再做冷冻电镜整机更能事半功倍。过去的历史证明了谁掌握了最先进的科学仪器，谁就能掌握科技发展的主动权。科学仪器是一个研发周期极长、技术壁垒极高的行业。为了将来，突围已是势在必行。

p 　　2019年11月23日，由水木未来(北京)科技有限公司主办，中国医药生物技术协会协办的首届《冷冻电镜与药物创新发现论坛》在北京西郊宾馆隆重召开。本次论坛的主题是“突破与机遇”，会议聚集海内外的专家，围绕着冷冻电镜技术最新突破与药物创新研发新机遇这一主题，为中国自主创新药研发献言献策。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/4bede6f1-1fcf-4328-a0ef-ab3c193e493e.jpg" title=" 1.jpg" alt=" 1.jpg" / /p p 　　清华大学副秘书长、北京清华工业开发研究院院长金勤献教授、北京市科学技术委员会医药健康科技处处长曹巍、中关村海淀园管理委员会企业发展促进处处长何建吾出席论坛并致辞 /p p 　　清华大学生命学院院长王宏伟教授就冷冻电镜最前沿的进展做了专题报告 专程从海外参会的药学专家北海道大学Katsumi Maenaka教授和赛默飞世尔科技电镜业务制药市场高级总监Raymond Schrijver以国际视角诠释了在药物研发过程中冷冻电镜的贡献和价值 北京生命科学研究所黄牛研究员、清华大学生命学院张强锋教授介绍了AI和高性能计算对药物研发的推动意义 水木未来科技CEO郭春龙和安杰律师事务所何菁律师分别研讨了冷冻电镜对我国原创新药研发的作用和中国创新医药知识产权的法律环境。与会专家还通过沙龙对话的方式，重点探讨了中国药物研发和创新之路。精彩纷呈的会议内容带给与会者耳目一新的学术饕餮，引发了对于原研创新药物在中国发展道路的深度思考。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/56b78471-c82c-40bd-b8ce-e2af3e10b7ff.jpg" title=" 2.jpg" alt=" 2.jpg" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 清华大学生命科学院王宏伟院长专题演讲“冷冻电镜赋能药物发现” /span /p p 　　论坛上同时举行了“冷冻电镜与药物发现创新中心”的启动仪式，该中心由北京市科委、清华大学和赛默飞世尔科技共同支持建立，由水木未来(北京)科技有限公司承载运营。该中心首个冷冻电镜实验室坐落在北京生命科学研究所。中心集成世界最先进的冷冻电镜设施，集结世界一流的结构生物学专家和药物智能计算专家，中心的启动和建成将标志着我国在优势技术领域产学研结合的重大突破和成果。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/2d47b3f3-427e-4075-a6c1-bc153aace2fc.jpg" title=" 3.jpg" alt=" 3.jpg" / /p p 　　冷冻电镜作为结构生物学新兴技术，对于药物研发的靶标确定，前导化合物结构解析，小分子候选药物结构及手性确定具有不可替代的突破性价值。以清华大学2009年装备亚洲首台高端冷冻电镜为标志，十年来我国已经建成全球一流的冷冻电镜集群和顶尖科学家团队，产生了一大批尖端科研成果。冷冻电镜技术的突破对于我国自主药物创新研发的作用日益受到学界和产业界的重视。水木未来科技将以北京为原点，辐射海内外，为制药企业和科研机构提供结构解析与药物研发相关的一系列科研技术服务。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/8fdef1be-0fc9-4970-8f2d-27326a720e02.jpg" title=" 4.jpg" alt=" 4.jpg" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 水木未来CEO郭春龙先生以“从炼丹到登月：基于结构+计算的新药研发”为主题演讲 /span /p p 　　清华大学副秘书长、北京清华工业开发研究院院长金勤献教授，北京市科学技术委员会医药健康科技处处长曹巍、中关村海淀园管理委员会企业发展促进处处长何建吾等出席了论坛并致辞，并与清华大学生命学院王宏伟院长、赛默飞电镜业务亚太商务拓展高级总监Marc Peeters、赛默飞材料与结构分析高级商务总监Tim Chen、水木未来科技CEO郭春龙等嘉宾一起见证了“冷冻电镜与药物发现创新中心”的启动仪式。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/21c586e2-546d-4e4d-9835-e8919dea2638.jpg" title=" 5.jpg" alt=" 5.jpg" / /p p br/ /p

基于结构的药物发现(Structure-based drug discovery, SBDD)是设计和优化创新药的必要方法。本篇综述将深入探讨冷冻电镜(cryo-EM)在SBDD领域中的快速崛起及它的主要作用，以及阐释它如何为高价值药理学靶点提供丰富的全新结构信息。冷冻电镜技术相比X射线晶体学的主要优势在于，它可以跳过繁琐的结晶步骤，从而直接对玻璃化的生物大分子进行成像；冷冻电镜也可以提供更多维度的信息，包括异质性和动态性。此外，本综述还将讨论冷冻电镜近期和未来的发展，并探讨该技术将在SBDD的管线中产生何种广泛的影响。冷冻电镜时代的SBDDSBDD是一种基于靶点的原子级结构基础信息，针对该靶点进行理性药物设计的研发方法。20世纪80年代，随着Captopril卡托普利和多佐胺Dorzolamide等酶靶向药物获批上市，SBDD方法初露锋芒。这一批由FDA批准的药物结合了晶体结构模型与计算机辅助分子建模这两大新兴技术，并成功解决了传统湿实验室的高通量筛选方法(HTS)所面临的昂贵、耗时及低回报率等问题。此后，随着计算技术的不断革新，大量药物靶点的晶体结构得以解析，SBDD方法进入了飞速发展阶段。从1999年到2013年，在113个获批的first-in-class药物中，有78个是基于SBDD方法发现的。尽管SBDD的发展足够迅速，但学界及制药行业内对它的期望显然更高。SBDD方法往往能另辟蹊径，对过往认为不可成药的靶点进行验证，并进一步开发新药。如K-Ras(G12C)靶点，它利用晶体学结构确定了一个以前未知的结合口袋，以避免与皮摩尔亲和力的GDP/GTP竞争。由于靶点验证是发现和开发工作中的主要难题之一，first-in-class药物分子可以为靶点的有效性和疾病应用提供新的见解，例如bromodomain溴结构域抑制剂(+)-JQ-1和I-BET762，这些化合物被成功用于表征和验证溴结构域在各种疾病中的重要性，并催生了大量的临床候选药物。即使是FDA批准的已知药物靶点，临床上也常常需要进一步的SBDD，比如有些药物需要进行更好的选择性的优化设计。厄菲替尼(erdafitinib)在经过针对性的设计改造后，表现出了相对于原先药物对成纤维生长因子受体更高的选择。此外，有一些药物可能需要优化效力或疗效，或提供特定受体亚型的选择性，如改善鞘氨醇-1-磷酸(S1P)抑制剂西波尼莫德(siponimod)对S1P1而非对S1P3的选择性，是提高其在疗效和安全性上优于非选择性S1P抑制剂的关键。该药物靶向S1P1，而非S1P3，此外，许多抗病毒、抗菌和抗癌药物正面临着抗药性问题，SBDD方法能够基于产生耐药性的靶点结构，对药物进行持续改进。SBDD工作的瓶颈在于获取高分辨率的生物靶点结构信息。虽然一些小而有序的生物分子满足X射线晶体学的研究范畴，但大部分已知靶点中的蛋白质，例如跨膜受体或动态复合物，都难以结晶，导致这些靶点蛋白无法利用晶体手段进行高分辨率结构解析。此外，X射线晶体学往往会对靶点蛋白进行改造，如进行截短体设计、引入热稳定性突变或插入一段外源的结构域，从而影响后续的SBDD结构信息分析。还需要考虑的一个关键因素是，大量的靶点蛋白性质上达不到结晶的条件要求。不过，上述的这些难点正被冷冻电镜技术逐一攻克。冷冻电镜技术的分辨率已足够高，其产生的大量数据也可用于计算辅助药物设计(CADD)方法，这也是本综述的核心议题。与X射线晶体学不同的是，冷冻电镜无需对目标靶点进行结晶：纯化过的靶点生物大分子会被瞬间冻结在一层薄薄的非结晶玻璃体冰中，再经由透射电镜成像以记录下几十万到几百万个冷冻电镜颗粒数据，用于重构三维静电势图并对大分子进行精确建模。因此，这种技术很适合于蛋白质复合物、热稳定性较低和动态运动较高的蛋白质以及脂质胶束中的跨膜蛋白质的结构测定。随着分辨率的不断提高，冷冻电镜已经成为药物设计的强大工具。冷冻电镜与药物发现在2014年之前，冷冻电镜几乎无法解析出优于4.0Å分辨率的结构，这直接导致它无法对SBDD工作提供有效的数据支持。然而，在过去的几年里，冷冻电镜方法的爆炸性突破产出了大量高分辨率的结构数据，这在以前是无法实现的。这一质的飞跃要归功于许多技术革新，如用于记录图像的直接电子探测器、改进的计算方法和处理大型数据集的硬件集群，这些技术的飞跃在其他文献内有详细回顾。此外，作为一种直接可视化的技术，冷冻电镜能够快速判断样品的聚集性和稳定性等问题，从而通过遗传和生物化学手段，用互作因子稳定蛋白、或通过优化去垢剂从细胞膜环境中提取膜蛋白等方法来快速改善样品质量。综合以上，在PDB中的分辨率为4.0Å或更高的冷冻电镜结构的数量已经从2014年之前的合计16个增长到仅2020年一年提交1753个新结构的规模(图1, A)。在新上传的结构中，分辨率高于4.0和3.5 Å的比例分别从2015年的36%和12%增加到2020年的75%和50%。更振奋人心的是，截止2020年，分辨率高于3.0Å和2.5Å的冷冻电镜结构比例，分别达到了18%和3%，实现了冷冻电镜结构解析前所未来的突破(图1, B)。为了系统评估冷冻电镜对SBDD领域的影响，我们(作者)调查了2018年美国200种最常用处方药的靶点相关结构数据。72%的靶点在PDB数据库中含有结构信息。细分而言，这些结构信息是通过X射线晶体学技术(42%)、冷冻电镜技术(15%)或两者结合(15%)而确定的(图1, C)。通过冷冻电镜技术解析的靶点涵盖了许多跨膜蛋白，如离子通道(GABAA、CaV、NaV和KATP)、激活态的G蛋白偶联受体(GPCRs)和转运体蛋白(5-羟色胺转运体、NaCl转运体)。图1.冷冻电镜分辨率的提高及其对蛋白质药物结构表征的贡献。(A) PDB中上传的低于特定分辨率的冷冻电镜结构的绝对数量；(B) PDB中上传的低于特定分辨率的冷冻电镜结构的百分比的。(C)2018年200个热门处方药的靶点图，按靶点的结构特征分类；(D)44个热门GPCRs处方药的靶点图，按结构特征分类；(E)2018年200个销量最高的药物的靶点图(作为新药的代表)，按靶点的结构特征分类。2020年的数据是由Njardarson实验室公示的2018年200种最受欢迎的处方药和200种销量最高的药物的蛋白质靶点(如果适用)，然后在PDB中确定相关结构，进行人工筛选。在200多种最常见的处方药中，GPCRs占据了44种，这些药物包括靶向GPCRs的激动剂、拮抗剂和反向激动剂(图1, D；注意，拮抗剂和反激动剂在药理学上不同，但在这里我们(作者)把它们统一归为拮抗剂)。这些GPCRs中的32个(73%)已经进行了某种形式的结构解析，包括与拮抗剂(44%)或激动剂(7%)结合的晶体结构，与激动剂(9%)结合的冷冻电镜结构，或由X射线晶体学和冷冻电镜手段共同进行的结构解析(20%)。值得注意的是，GPCR的高度动态结构使其难以获得高质量的晶体，因此大多数的GPCR晶体结构都是与拮抗剂结合后才得以进行结构解析的。综上所述，冷冻电镜技术在针对市场上已经存在多年的处方药中中具有深刻影响。为了更加深入了解冷冻电镜技术在未来药物发现中的作用，我们(作者)还调查了2018年取得最高利润的200种药物，以代表那些市面上新进发现的药物(图1, E)，我们简称新药。这批新药和之前提到的那些最常用的药物之间存在明显的差异。相当一部分新药已经用晶体学进行了表征，反映了结构数据在当今药物研发工作中的重要性：即便不是由结构驱动的，也很少有不追求结构的情况，因为结构信息可以为先导化合物的优化和进一步发现提供关键数据。此外，考虑到漫长的药物开发时间，冷冻电镜这一最近几年才崛起的新技术在这份名单中的占比虽小，但贡献仍相当可观。这些药物和靶点包括生物制药、离子通道和GPCRs，以及其他不适合结晶的高活性大分子。冷冻电镜对SBDD的贡献解析新型结构虽然有许多FDA批准的药物靶点结构可被X射线晶体学解析，冷冻电镜正在为越来越多的难结晶、甚至不可结晶的靶点打开大门，如分子量更大、更动态的蛋白质和蛋白质复合物。冷冻电镜也显著降低了对细胞内复合体的研究难度，如病原体的核糖体、染色质修饰复合体和转录机器。例如冷冻电镜技术近期解析了一种与线粒体体RNA聚合酶复合体相关的first-in-class 抑制剂的结构。值得注意的是，在膜蛋白领域，冷冻电镜的贡献无可比拟。不管是传统的药物，还是新型处方药，很多药物靶向针对GPCRs、离子通道和转运体蛋白。然而，利用X射线晶体学手段来解析膜蛋白的结构非常困难。尽管脂质立方结晶在GPCR领域取得了一些进展，但在结晶过程中，GPCR蛋白通常需要进行热稳定突变，或融合其他蛋白进行改造，以促进晶体的形成。并且，为了获取某种改造后的稳定的构象，还需要对克隆构建、实验方法及条件进行大量繁琐复杂的筛选。相比之下，冷冻电镜结构可以直接用来解析经过去污剂或纳米盘处理后的在生化上性质稳定的膜蛋白，并获得处于或者接近生理状态的蛋白的结构。冷冻电镜的在解析庞杂的膜蛋白的结构中能力势不可挡，并且已有大量的高分辨率结构被成功解析。长久以来膜蛋白一直都是获批药物的热门靶点，它们的结构也只是近期才被冷冻电镜揭示(图2)。图2. G蛋白偶联受体、转运体(上排)和离子通道(下排)，每个受体有相应的FDA批准的配体分子(蓝框)。利用冷冻电镜解析膜蛋白结构的突出进展，部分原因受益于新试剂的设计和使用。这些试剂可以在体外纯化过程中维持跨膜蛋白的结构，在冷冻制样过程中保护蛋白，并为高分辨率的结构解析提供均质样品。去垢剂如正十二烷基β-D-麦芽糖苷(DDM)和月桂基麦芽糖新戊二醇(LMNG)，可以有效地从细胞膜上溶解跨膜蛋白，并维持蛋白质的生理状态构象。去垢剂的使用也会产生一些问题，如去垢剂形成的空胶束和与包裹蛋白质的去垢剂同时存在存在会引起样品的不均一，对后期的数据处理处理产生影响；也可能会导致冷冻样品制备时的气液界面收到破坏，产生一些不好的结果。脂质纳米盘是去垢剂的一种替代品，原则上可以为结构和生物物理研究提供接近胜利状态的脂质双分子层。脂质纳米盘在膜蛋白药物靶点上的应用已经非常关键和广泛。举例而言，将纳米盘与冷冻电镜技术相结合，成功阐明了TRPV1和TRPV5离子通道(在TRPV1的情况下，脂质对抑制剂的结合至关重要)、GABAA配体门控离子通道、人类P-糖蛋白以及GPCR-β-arrestin复合物的高分辨率结构和机制。关于纳米盘的进一步介绍可查阅。冷冻电镜还可以用来解析嵌入脂质体中的蛋白质的结构，允许在更接近生理状态的的电化学梯度中对离子通道以及孔蛋白进行可视化研究。在过去的几年中，冷冻电镜也在生物制药领域产生了巨大影响。在较新的药物中，生物制药的占比正越来越高。如果仅将目光聚焦于药物靶点识别这一领域，生物制药的结晶技术确实称得上有所改善。然而，冷冻电镜已经为一些关键的生药物研发提供了基于全长蛋白的结构信细节息胰岛素受体一种二聚化的酪氨酸激酶受体蛋白，在调节人体的葡萄糖平衡方面起着关键作用。胰岛素受体信号通路的失调会引起一些疾病，如II型糖尿病，全球约有9.3%(4.63亿人)受到影响两个独立的研究小组利用冷冻电镜在胰岛素受体结构解析方面取得了突破进展；第一个小组以4.3Å和7.2Å的分辨率分别解析了与一个或两个胰岛素分子结合的胰岛素受体胞外结构域结构，第二个小组以3.1Å的分辨率获得了与四个胰岛素分子结合的胰岛素受体胞外结构域结构(图3, A)。这些结构解释了胰岛素受体结合胰岛素的不同结合位点，以及激活这一关键药物靶点所进行的构象变化。类似的例子比比皆是：从HER2-trastuzamab-pertuzumab复合物到SARS-CoV-2和中和抗体的结构解析，冷冻电镜为生物治疗的新老靶点提供了新的视点，为进一步发现和开发仿制药和first-in-class药物铺平了道路。另一个值得注意的例子是B淋巴细胞抗原CD20，它是治疗白血病和自身免疫性疾病的一个重要的治疗靶点，尽管其功能作用仍不清楚。尽管CD20的分子量较小，只要35kDa左右，但分别与单克隆抗体利妥昔单抗(rituximab)、奥法图单抗(ofatumumab)和奥比努单抗(obinutuzumab)的Fab结合形成复合物后，都解析获得分辨率较高的CD20复合物结构(图3, B)。负染结果显示，利妥昔单抗与CD20结合后，可诱导形成高度有序的高级结构，这一发现对激活先天免疫的补体系统提供了全新见解。由于复合物中的高度动态和跨膜结构域的存在，利用结晶手段结构解析几乎不可能实现，冷冻电镜技术的应用实现了这一可能。图3.冷冻电镜(cryo-EM)在小分子和生物制药发现方面的效用。(A)与胰岛素结合的胰岛素受体(PDB ID 6PXV)和(B)CD20与利妥昔单抗复合物(PDB ID 6VJA)冷冻电镜密度图。(C)使用GemSpot(PDB ID 6CVM)将小分子PETG精确地建模到β-半乳糖苷酶的冷冻电镜图像中。(D)基于片段的PKM2的发现，冷冻电镜密度允许正确识别和放置发现片段(PDB ID：6TTF)尽管冷冻电镜在膜蛋白结构测定领域已经迈出了一大步，但短板仍然存在。其中一个短板是解析小于50-70kDa的没有明显的胞内或胞外结构域的单体膜蛋白，由于几乎没有胞外结构域特征，因此难以对去垢剂胶束或脂质纳米盘进行降噪处理，以这种方式收集到的数据难以产出高分辨率结构，比如解析没有上下游偶联蛋白的处于非活性状态的的GPCR结构。然而，大量的蛋白质属于这一类型，解析这一类型的的膜蛋白因此也成为了一个重要的研究领域。目前，有一些解决方案正处于研究阶段，且已经取得了一定程度的成功，如前文所述的CD20。随着利用增加融合蛋白、抗体片段、纳米抗体、纳米抗体衍生物或其他支架蛋白以增加靶点蛋白的分子量等方法的应用，预计冷冻电镜在膜蛋白结构测定方面会有更多进展。计算赋能冷冻电镜冷冻电镜单颗粒技术利用数百万个颗粒的可视化投影来重建静电势图，这通常涉及数十万亿字节的原始数据。因此，该方法从计算方法的快速发展中获益匪浅，这些计算方法同时满足了对更高的分辨率的需求并加深了对粒子动力学的理解。然而，与X射线晶体学相比，冷冻电镜在获取配体-靶点复合物的高可信度模型时仍然面临着一些难题。其中一个难题是冷冻电镜难以解析得到高于2.5Å的蛋白结构，而这通常是建模人员能够精确放置配体并解析出结合位点处水分子的最低分辨率。此外，冷冻电镜的结构建模流程与晶体学完全不同：在晶体学中，模型和密度图之间有一套严格而完善的统计测量方法，该方法能够提供和模型精度相关的关键信息。而在冷冻电镜方法中，基于密度图的建模是一个完全独立的过程，仅适用收集的电镜投影来进行密度图重构，然后基于密度图进行结构建模和实空间下的微调。该过程的独立性使得模型的精度被降低了。这一问题在最近已得到改善。此外，两种方法之间还存在一些物理上的差异，如晶体学依赖电子密度图，而冷冻电镜依赖静电势图。这些差异加在一起，使得晶体学的模型验证工具无法应用于冷冻电镜模型。因此，我们可能需要为精确性开发一些新的指标。一种解决方案是使用强大的计算技术和精确的分子力场对大分子及其配体在冷冻电镜结构中的相互作用进行模拟。比如PHENIX软件包结合实空间和傅里叶空间微调和OPLS3e力场的分子动力学模型，从而生成生物分子和小分子的几何统计精修模型。OPLS3e微调工具已经被整合进到我们(作者)的自研软件GemSpot，它将各种计算方法整合为一个工作流程，从而提高冷冻电镜密度图中配体位置的准确性(图3C)。新的计算工具也推动冷冻电镜在基于片段的药物发现(Fragment-based drug discovery)中发挥作用，其中高溶解度的小片段化合物被浸泡在由多个不同结构的化合物组成的生物分子靶点中。解析复合体的结构可以解释配体与结合口袋之间关键位点的相互作用，然后可以将其组合成一个先导化合物。然而，这种方法要求配体密度质量高、分辨率高，才能正确区分配体的姿态和原子类型，目前对于冷冻电镜来说还是一个难题。最近，Saur等人在高度棘手的β-半乳糖苷酶和颇具治疗意义和挑战性的激酶PKM2的场景中成功地将冷冻电镜用于FBDD。尽管他们为了将配体置放于密度图中，而不得不将干法和湿法实验结合，但他们成功地建立了一个与β-半乳糖苷酶结合的大约150kDa的精准片段模型。更令人印象深刻的是，他们能够从四种化合物的鸡尾酒中确定哪些片段与PKM2结合(图3, D)。因此，不断发展的计算方法为冷冻电镜密度图的构建提供了一个强大的平台，可以在高分辨率下对大分子复合物进行建模。冷冻电镜的快速发展可及性与通量的提升冷冻电镜是极为精密且昂贵的仪器，需要大量的费用和人力成本来搭建、维护与操作。这一特性在很大程度上限制了冷冻电镜的发展，并将冷冻电镜的机时资源集中在了那些受政府资金扶持的大型机构上。因此，在科研界中，冷冻电镜资源的获取门槛极高。然而，这一门槛正在被逐渐降低：许多国家级设施都启动了冷冻电镜人才培养计划，以降低冷冻电镜运维的人力成本。一些大型制药公司也开始进行内部投资，设立最先进的冷冻电镜设施。此外，冷冻电镜设施的可复制性远超晶体学极其昂贵的同步加速器和线性加速器，使得该技术更有发展前景。随着100kV电子束技术的发展，未来可能会出现性价比极高的冷冻电镜，增加其在药物发现领域中的应用场景。鉴于2018年FDA批准的药物中有49%来源于中小型公司，降低冷冻电镜的成本将使冷冻电镜技术得到更广泛的应用。最近对SARS-CoV-2相关蛋白的结构表征证明了冷冻电镜的无限潜力。在病毒爆发后的几个月内，科学家们利用冷冻电镜，以极快的速度解析了新冠病毒刺突蛋白的几种构象，以及它与人源血管紧张素转换酶或许多中和人源抗体片段的复合物的结构。最近获得FDA批准的用于治疗COVID-19的再利用药物瑞德西韦(Remdesivir)与SARS-CoV-2 RNA聚合酶结合的结构也已被冷冻电镜解析。鉴于X射线晶体学一直是病毒RNA聚合酶结构测定的传统方法，对新冠病毒的冷冻电镜结构解析是一个颠覆性的创新，凸显了冷冻电镜的高时效性特点在快速反应研究中的应用。此外，冷冻电镜的分辨率仍在大幅提高，最近的一份报告指出，作为冷冻电镜的代表性复合物结构，去铁蛋白apoferritin的分辨率达到了1.25Å，该分辨率足以对单个原子进行精准定位，在某些情况下甚至可以解析氢原子和质子化态。毋庸置疑，在样品制备良好的情况下，冷冻电镜的不断改进将持续打破结构解析的分辨率记录。冷冻电镜在药物发现和开发方面的应用将进一步受益于该技术的全面自动化。在载网准备方面，一些自动化工具正在出现，以解决不可重复性和样品浪费的难题。这些技术的改进不仅会提高自动化的程度和可及性，还可能解决冷冻电镜载网制备中的其他难题，如减少颗粒在空气及水中的暴露程度。此外，机器学习方法和深度神经网络也是提高颗粒筛选速度和准确性的关键。这些自动化方法甚至有望在未来成为冷冻电镜的核心技术，从而推动冷冻电镜在药物发现领域的发展。主流硬件和软件的改进也有望提高冷冻电镜在SBDD领域的可及性。例如，更高效的检测设备能显著提高冷冻电镜的产能。在一个标准的数据收集过程中，老式的检测器相机可以每次收集1个影像，每小时产生50个影像，而较新的检测器可以每次收集9-16个影像，每小时可以产生超过200个影像，进而转化为每24小时收集的数百万颗粒投影数据。此外，虽然今天许多最高分辨率的结构是用300kV冷冻电镜获得的，但这些机器非常庞大，且前期和维护成本昂贵。在许多情况下，对于单颗粒分析中使用的薄样品，200kV的显微镜可能就足够了，甚至100kV的显微镜也可以用来获得分辨率高达3.4 Å的结构。分子动力学的新窗口结合硬件和数据处理方面的改进，冷冻电镜的潜力将进一步被释放。当X射线晶体学受限于结晶条件而无法解析时，冷冻电镜的低样品需求大幅降低了数据收集的门槛，使我们得以看到样品的构象连续体或一系列不同的能量最低状态，为大分子动力学提供了新的窗口。图4.单一的冷冻电镜数据集，投影的三维分类显示了两种不同的构象，代表了两种不同的G蛋白偶联受体-G蛋白相互作用的状态，代表了两种热力学上可比较的构象。在典型状态下(左边，PDB ID 6OS9)，受体以典型的方式与G蛋白结合，其中核苷酸结合口袋为GTP结合做准备。在非经典状态下(右图，PDB ID 6OSA)，G蛋白异源三聚体与经典状态相比旋转了45°，代表了沿G蛋白偶联途径的中间配体结合受体状态。缩写：α-N=G蛋白的N端α螺旋；cryo-EM=冷冻电镜；TM=跨膜螺旋。一些计算工具，例如二维和三维分类以及子区域的重点细化，能够利用数据集内颗粒的异质性来模拟大分子活性成分的运动。在我们(作者)小组最近的一个例子中，对神经紧张素1受体的冷冻电镜单颗粒分析结果揭示了先前识别的G蛋白、激动剂结合状态和G蛋白偶联通路上的一个新的中间状态(图4)。最近，我们(作者)还将AI深度学习网络应用于冷冻电镜数据集，揭示了26S蛋白酶体的构象动态，使解析出的结构细节达到了前所未有的原子级水平。随着分辨率和分类工具的不断改进，我们将获得更精细的构象变化。有了以上这些技术，再加上分子动力学模拟和机器学习方法等计算技术，我们将得以对配体结合的复杂过程进行更精确的建模，从而揭示全新的、可成药的中间状态。结语尽管冷冻电镜已经在SBDD领域取得了飞跃性的进展，但它的潜力远不止于此。在三维分析重构及深度学习算法等领域，若能将计算工具与更大、更高质量的数据集结合并进行训练，我们将能够描述蛋白质甚至其配体的更小幅度、更高分辨率的动态运动。我们还期望冷冻电镜在时间维度上的结构解析方法将使人们对大分子复合物的结合和解离过程有更深了解，为靶向药物的研发提供更多思路和机会。目前晶体学和大多数冷冻电镜结构所提供的只是能量最小值的瞬间结构，但对于开发新的药物作用模式而言，对机制和中间状态的理解至关重要，所以我们若能获取构象的动态信息，则对理性药物设计具有突破性意义。在综合了冷冻电镜的软硬件及方法的快速发展之后，我们可以得出结论：冷冻电镜有望为药物发现和人类健康做出巨大贡献。词表：1. 激动剂一种通过增加受体活性以产生生物反应的物质。2. 拮抗剂(也称中性拮抗剂)一种能阻断激动剂或反向激动剂的物质，在不存在激动剂或反向激动剂的情况下便没有活性

近日，《Science》杂志以封面专题的形式发表了 5 篇论文，共同展现了通过 AI 技术来揭示人类和非洲爪蟾的核孔复合体（NPC）结构。开始正文之前，我们先来看一张图片，在下图中，很明显可以看出，图的右半部分所代表的信息更加丰富，结构也更清晰。而左半部分 2016 年的图，则结构较为单一，代表的信息比较少：其实上面展示的是核孔复合体（NPC）图像。核孔复合体，由约 1000 个蛋白质亚基组成，担负着真核生物细胞核与细胞质之间繁忙的运输大分子的任务，也是其连接胞质和细胞核的唯一双向通道。除了协调运输外，NPC 还组织必要的转录、mRNA 成熟、剪接体和核糖体组装等重要生命活动。NPC 强大的作用，已然成为疾病突变和宿主 - 病原体相互作用的关键点。得益于低分辨率下全核孔结构以及高分辨率下核孔组成结构技术的发展，细胞核孔受到越来越多的关注。然而，利用这些信息正确组装 30 多种不同蛋白质副本，并构建高分辨率的三维结构，一直是一项艰巨的挑战。近日，《Science》杂志以封面专题形式发表了 5 篇论文，其中 3 篇论文共同揭开了人类核孔复合体的近原子分辨率冷冻电镜结构，另外两项研究通过非洲爪蟾呈现了脊椎动物核孔复合体的单颗粒冷冻电镜图像。这篇封面文章将多项研究成果拼接在一起，形成的人类 NPC 图像接近原子级。论文地址：https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/science.add2210这一研究成果建立在多项研究之上，包括数十年的生物化学重建、X 射线晶体学、质谱学、诱变和细胞生物学等。使用大幅度改进的冷冻电子断层扫描重建人类 NPC，并用人工智能技术精确建模组件。还有其他研究提高了单粒子冷冻电镜的分辨率，使脊椎动物 NPC 的二级结构元素和残基水平细节的可视化成为可能。分子组合丰富了我们对脊椎动物和人类 NPC 构建的理解——从旧的核支架到将各个部分连接在一起的连接蛋白，以及从核膜锚定到中央运输通道上方的细胞质丝。这里报告的研究成果，代表了实验结构生物学与人工智能的合作共赢，是人类探索生物微观世界的又一次胜利。另外，也证明了正在进行的分辨率革命，在我们寻求了解大分子组件的构造和设计原理方面，具有不可替代地作用。下图为 2022 年人类核孔复合体的横截面视图，新解析的成分包括对称核心（橙色）和细胞质细丝（黄色）：五篇研究论文论文 1：《Architecture of the cytoplasmic face of the nuclear pore》论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9129核孔复合体（NPC）是核质转运的唯一双向通道。尽管最近在阐明 NPC 对称核心结构方面取得了一些进展，但对于 mRNA 输出和核孔蛋白相关疾病的热点来说，不对称分布的细胞质表面仍然难以捉摸。加州理工学院等机构的研究者报告了通过结合生化重建、晶体结构测定、冷冻电子断层扫描重建和生理验证而获得的人类细胞质面的复合结构。虽然物种特异性基序在中央转运通道上方锚定了一个进化上保守、约 540 千道尔顿（kilodalton）异六聚体细胞质细丝核孔蛋白复合体，但 NUP358 五聚体束的附着取决于外套核孔蛋白复合体的双环排列。他们揭示的复合结构及其预测能力为阐明 mRNA 输出和核孔蛋白疾病的分子基提供了丰富的基础。人类 NPC 的细胞质面论文 2：《Architecture of the linker-scaffold in the nuclear pore》论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9798尽管人们已经可以确定 NPC 对称核心中结构化支架核孔蛋白的排列，但它们通过多价非结构化接头核孔蛋白的内聚性仍然难以捉摸。通过结合生化重建、高分辨率结构测定、冷冻电子断层扫描重建和生理验证，加州理工学院的研究者阐明了进化上保守的接头支架结构，产生了人类 NPC 的约 64 兆道尔顿（megadalton）对称的近原子复合结构核。虽然接头通常起刚性作用，但 NPC 的接头支架为其中央转运通道的可逆收缩和扩张以及横向通道的出现提供了必要的可塑性和稳健性。他们的结果大大推进了 NPC 对称核心的结构表征，为未来的功能研究打下了基础。人类 NPC 对称核心的接头支架结构。论文 3：《AI-based structure prediction empowers integrative structural analysis of human nuclear pores》论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9506虽然核孔复合体（NPC）介导核质转运，它们错综复杂的 120 兆道尔顿架构仍未完全得到了解。马克斯 普朗克生物物理研究所等机构的研究者报告了具有显式膜和多构象状态的人类 NPC 支架的 70 兆道尔顿模型。他们将基于 AI 的结构预测与原位和细胞冷冻电子断层扫描、综合建模相结合。结果表明，接头核孔蛋白在亚复合体内和亚复合体之间组织支架，以建立高阶结构。微秒长的分子动力学模拟表明，支架不需要稳定内外核膜融合，而是扩大中心孔。他们举例阐释了如何将基于 AI 的建模与原位结构生物学相结合，以了解跨空间组织级别的亚细胞结构。人类 NPC 支架架构的 70 兆道尔顿模型。论文 4：《Structure of the cytoplasmic ring of the Xenopus laevis nuclear pore complex》论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8280西湖大学和清华大学以 3.7-4.7 埃（angstrom）的分辨率对非洲爪蟾 NPC 的细胞质环亚基进行单粒子冷冻电子显微镜重建。其中，Nup358 的氨基末端域的结构被解析为 3.0 埃，这有助于识别每个细胞质环亚基中的五个 Nup358 分子。研究者最终的细胞质环亚基模型包括五个 Nup358、两个 Nup205 和两个 Nup93 分子，以及两个先前表征的 Y 复合体。Nup160 的羧基末端片段充当每个 Y 复合体顶点的组织中心。结构分析揭示了 Nup93、Nup205 和 Nup358 如何促进和加强主要由两层 Y 复合体形成的细胞质环支架的组装。非洲爪蟾 NPC 双层细胞质环的 Cryo-EM 结构。论文 5：《Structure of cytoplasmic ring of nuclear pore complex by integrative cryo-EM and AlphaFold》论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9326哈佛医学院等机构的研究者使用单粒子冷冻电子显微镜和 AlphaFold 预测，从非洲爪蟾卵母细胞中确定了近乎完整的 NPC 细胞质环结构。具体地，他们使用 AlphaFold 预测核孔蛋白的结构，并使用突出的二级结构密度作为指导来适应中等分辨率的地图。此外，某些分子相互作用通过使用 AlphaFold 的复杂预测进一步得到建立或确认。研究者确定了五份 Nup358 的结合模式，它是最大的 NPC 亚基，具有用于转运的 Phe-Gly 重复序列。他们预测 Nup358 包含一个卷曲螺旋结构域，可以提供活性以帮助它在一定条件下作为 NPC 形成的成核中心。非洲爪蟾 NPC 细胞质环的 Cryo-EM 结构。

日前，4台高端冷冻电镜顺利进驻无锡佰翱得生物科学有限公司。至此，江阴企业佰翱得坐拥8台冷冻电镜，其中包括3台国际最先进的第四代冷冻电镜Titan Krios，一举成为全球最大商业冷冻电镜服务供应商。图自佰翱得冷冻电镜国际创新中心（笔者注：佰翱得早在2012年，就拥有当时最完善的室内晶体衍射平台。为适应全球结构解析需求，2018年，采购了一台200kv的TF20冷冻电镜，大大提高了样品优化的效率。 在2020年，为进一步整合上下游能力加速研发，采购了最新一代的300kv的冷冻电子显微镜，此时，平台的冷冻电镜数量为4台。日前，二期佰翱得冷冻电镜平台的4台冷冻电镜（2台Krios G4、1台Glacios、1台120Kv冷冻透射电镜）顺利入驻，平台冷冻电镜数量达到8台）冷冻电镜技术于2017年摘得诺贝尔化学奖，是指不需要晶体就能在原子分辨率水平上解析药靶结构的新崛起技术。经过4年沉淀，佰翱得成功把冷冻电镜SPA和MicroED两大技术应用到新药研发过程中，可为国内外生物医药企业提供药靶蛋白制备、生物分析与化合物筛选、复合物晶体结构与冷冻电镜结构解析，以及结构模拟、三维结构计算、化合物虚拟筛选等计算结构生物学技术服务，大幅加速“源头创新”新药研发进程。据了解，由于拥有国际领先的蛋白制备平台，佰翱得冷冻电镜技术具备得天独厚的技术优势，促使该企业实现了多项行业领先：2017年在国内率先筹建商业化冷冻电镜平台；2018年引进国际顶尖的冷冻电镜专家，打造国际领先科学团队；2019年装备了中国生物医药工业界第一台冷冻电镜设备，成为全球首家推出从基因到冷冻电镜结构一体化服务的标杆企业。无锡佰翱得生物科学有限公司由双良集团与多名拥有国际药企工作经历的海归科学家联合创立，截至目前已为近200家国内外客户的超过3000个新药研发项目提供服务。

第四轮新冠疫情在全球的爆发，就在近几日，上海疫情感染总数也突破10万人次大关，感染人数不断上升，但这不仅仅是因为上海防控措施的原因，更因为病毒没有一刻停止过进化。目前国外甚至又进化出两种新的“毒王”。随着大家对疫情的关注度迎来又一波热潮，对疫苗的关心和问题也冲上热搜。目前不同厂家的疫苗有什么区别？为什么有的疫苗只需接种一剂，有的则需要接种两剂或三剂？应该选择什么类型的疫苗？不同疫苗的有效性是否有差异？疫苗加强针是否应该接种，该怎么选择？有没有有效性更高、且稳定性好的疫苗？关于疫苗研发的5条技术路线图1：全球并行开发了5条技术路线的疫苗我们先来了解一下什么是疫苗？疫苗是预防和控制传染病最经济、有效的手段，疫苗接种是通过诱导机体产生保护性免疫应答来预防和控制人类和动物疾病的常规方法。自新冠疫情初期开始，我国与全球主要国家就投入了新冠疫苗的研发工作，并行开发了5条技术路线的疫苗，这也是目前疫苗的主要分类。疫苗的不同技术路线：※灭活疫苗※减毒活疫苗※基因工程亚单位疫苗※腺病毒载体疫苗※核酸疫苗（含DNA和RNA疫苗）灭活疫苗是最传统的平台，而亚单位蛋白疫苗在过去几十年中蓬勃发展，核酸和病毒载体疫苗是该领域重要的新生事物。核酸疫苗使用先进的基因工程RNA或DNA产生一种自身可以安全诱发免疫应答的蛋白质。相较于DNA而言，RNA更容易被人体识别并产生相应的抗原信息，但不会参与细胞内DNA的改造，因而更加高效且安全性更高。不同疫苗的有效性如何呢？此次新冠疫苗在产量方面处于领先地位的是美国辉瑞-BioNTech和Moderna（mRNA疫苗）、阿斯利康和强生（病毒载体）以及中国国药集团和科兴（灭活）。各疫苗的有效性如何呢？世界卫生组织公布的数据如下：从数据来看，辉瑞-BioNTech和Moderna（mRNA疫苗）有效性较高，分别为95%和94.1%。为了应对新冠病毒的持续变异，建议尽早接种新冠疫苗加强针。为确保同等或更有利的免疫原性或疫苗有效性，在第一剂和第二剂接种灭活疫苗后，视产品供应情况，第三剂既可继续接种同品牌的灭活疫苗，也可接种世卫组织紧急使用列表中的任一种COVID-19mRNA疫苗（辉瑞或莫德纳）或COVID-19病毒载体疫苗（阿斯利康Vaxzevria/COVISHIELD或杨森）。mRNA疫苗的优势在哪里？代表着未来新技术的mRNA疫苗是将外源靶抗原的基因序列通过转录、合成等工艺制备的mRNA通过特定的递送系统导入机体细胞，通过在体内表达目的蛋白，刺激机体产生特异性免疫学反应，从而使机体获得免疫保护的一种核酸制剂，能实现体液与细胞的双重免疫，有效性高。mRNA疫苗作为一种平台型技术，在设计和构建上具有快速性、应变性以及简单的全合成制备等优势，新型冠状病毒肺炎在全球范围爆发和蔓延后，随着Moderna和BioNtech公司的mRNA疫苗在临床上的安全性和保护效力得到进一步验证，使得mRNA疫苗技术得到广泛关注并推动了其快速发展。冷冻干燥技术在mRNA疫苗研发和生产中的应用mRNA疫苗虽然有效性高，但在生产和使用过程中依然存在一些挑战——①结构不稳定；②容易被环境中普遍存在的RNA酶降解破坏；③需要在零下-20℃～-70℃之间保存。这就意味着全程需要冷冻储存和冷链运输，配送和使用会变得非常困难，尤其是对于医疗条件和运输条件相对较差的非洲、南美洲和部分亚洲国家等，因此会造成由于无法按时接种最终导致仍有数百万人死于这些疾病。图2：冻干疫苗可以解决储存运输难题而这些难题可以通过冻干生产相对较为干燥的产品来解决。目前，冷冻干燥技术由于其独特的优势，已被广泛应用于抗体、疫苗等生物制药中。1、冻干疫苗的优势●疫苗制剂在预冻前完成分装，从而保证了剂量的精确性；●由于冻干是在真空和低温状态下完成的，因此不易发生氧化和热变性，可以最大限度地保持疫苗的理化性质和生物特性；●固态的冰晶升华成为水蒸气后形成的疏松多孔（海绵状）结构，使冻干疫苗具有极好的速溶性和复水性，可迅速吸水溶解，恢复其原有特性；●冻干疫苗易进行无菌化操作，污染相对减少，临床应用效果好，过敏等副作用少；●冻干疫苗脱水彻底，含水量低，重量轻，适合长途运输及长期保存；●冻干疫苗可以在室温下保存，减少冷链运输的成本，延长货架期。2、冻干疫苗所面临的挑战冻干疫苗具有显著的优势，但必须克服一些挑战。复杂的制剂，尤其是由多种菌株或多种抗原组成的疫苗，可能导致具有挑战性的关键配方温度和复杂的冷冻干燥过程。冷冻和干燥会对疫苗造成一定的影响，疫苗冻干过程的敏感性程度因疫苗而异。内部结冰和对疫苗成分（例如脂质膜、核酸或蛋白质）的直接损害可能是应力因素。在冷冻过程中会形成病毒内冰晶，这会增加产品的体积并可能损坏脂质双层（如图3所示）。冰还会在冰和液体之间产生新的界面，并增加表面诱导聚集的风险。图3：冷冻干燥过程中的应力因素在关键配方温度以上干燥会导致无定形相在冻干循环的初级干燥步骤中的流动性提高。这使得蛋白质相互作用并可以提高膜通透性。在去除结合水的二次干燥阶段，可能会发生蛋白质聚集和失活。在磷脂存在的情况下，热致相变的改变也可以提高膜渗透性。二次干燥直接影响残留水分含量，从而影响长期稳定性。3、冻干疫苗配方所需特性最理想的情况是，疫苗须在干燥状态下长期储存和液体状态下至少保持24小时稳定。为了实现这一目标，必须以适当的配方和工艺开发疫苗。稳定剂（冷冻或冷冻保护剂）在开发稳定的疫苗配方中起着关键作用。无定形冷冻保护剂，如糖类和糖醇，在冷冻过程中通过优先排除冷冻保护剂和蛋白质的水合作用在热力学上保持稳定（如下图4所示）。图4：优先排除理论它们还通过玻璃化作用提供动力学稳定性，从而减缓蛋白质和脂质膜的聚集。一些冷冻保护剂，如葡聚糖，不能渗透化合物，但通过增加渗透梯度，也能够阻止内部结冰。一些冻干保护剂，如右旋糖酐，不能渗透该化合物，但可以通过增加渗透梯度来抑制内部结冰。冻干保护剂通过替换水和磷脂或蛋白质之间的氢键，在冷冻干燥循环的干燥阶段发挥作用(如图5所示)。与冻干保护剂一样，通过玻璃化来实现动力学稳定，使蛋白质和脂质膜的流动性得以实现，从而达到结构和构象的稳定。图5：水替代理论为了提高疫苗的稳定性，可以在制剂中加入其他赋形剂，例如缓冲剂、使表面引起的不稳定最小化的表面活性剂和不太常用的赋形剂，例如填充剂、有机共溶剂和张力调节剂。案例研究——开发一种具有三种灭活血清型的耐热冻干脊髓灰质炎疫苗通过使用实验设计(DoE)方法，用多种赋形剂评估了脊髓灰质炎疫苗的不同配方，并检查了血清型的稳定性。用有限量的赋形剂进行基本筛选没有显示出稳定的产品，因此进行了广泛的筛选，成功鉴定了稳定剂。与液体制剂和其他市售脊髓灰质炎疫苗制剂相比，对最佳候选物进行优化产生了具有高热稳定性的最终制剂。4、冻干疫苗工艺开发冷冻对产品特性有重要影响，进而影响产品稳定性(如图6所示)。缓慢冷冻会导致形成少量的大晶体，这可能对膜有害。快速冷冻减少了渗透水释放的时间，但是会产生更大的内部结冰风险。快速或慢速冷冻之间的选择是困难的，但会很容易受疫苗配方和敏感性的影响。因此，在冻干循环开发过程中研究冷冻速率对稳定性的影响至关重要。图6：冻结速率的影响产品温度在整个初级干燥步骤中至关重要，它会影响干燥时间、升华速率和稳定性。在优化疫苗的主要干燥参数时，值得考虑减少干燥时间与产品稳定性的成本效率。在二次干燥期间去除水合壳会降低产品稳定性。残留水分增加还会导致坍塌、聚集和降解。因此，最佳残留水分含量和二次干燥条件也应该是开发阶段的一部分。案例研究——初级干燥过程中产品温度对长期稳定性的重要性在所检查的细菌疫苗的示例中，基于产品温度(Tp)测试了三个不同的循环，并在稳定性方面分析了产品特性。通过比较冻干后活细菌疫苗的活细胞计数来量化稳定性。冷冻干燥后立即保守[Tp远低于崩溃温度（Tc）但高于玻璃化转变温度（Tg' ）]和激进循环（Tp高于Tc）之间没有区别。激进周期在几天和一个月后表现不佳，中间（Tp在Tc）和激进周期不如保守周期好（如图7所示）。建议使用保守条件开始干燥周期，但对于某些疫苗制剂，高于Tc的初级干燥可能不会导致稳定性损失。图7：临界配方温度(CFT)与冷冻干燥条件对疫苗稳定性的影响的相关性那么问题来了Q1：如何准确实现冻干疫苗中关键配方温度测量？图8：冻干显微镜Lyostat5及搭配使用的DSC模块英国BiopharmaGroup公司提供的冻干显微镜Lyostat5及可与显微镜搭配使用的DSC模块，可以轻松实现配方关键温度（Tc,Teu,Tg’)的测量。Q2：如何快速实现疫苗冻干工艺开发和优化？SPScientific提供的Lyostar冻干机仅需运行一个遁环即可自动摸索和开发冻干工艺。结合全球领先的冻干PAT技术（Smart全自动工艺开发技术，Controlyo晶核控制技术，TDLAS实时水蒸汽测量技术），使漫长复杂的工艺摸索变得简单快捷有效。图9：Lyostar全智能冻干工艺开发与优化Q3：是否有冻干疫苗的案例？辉瑞、莫德纳，阿斯利康、强生均已在使用SPScientificLyostar智能工艺开发冻干机进行新冠冻干疫苗的研发。ThePfizer/BioNTechComirnatyvaccine,31December2020.TheModernaCOVID-19vaccine(mRNA1273),30April2021.TheSII/COVISHIELDandAstraZeneca/AZD1222vaccines,16February2021.TheJanssen/Ad26.COV2.SvaccinedevelopedbyJohnson&Johnson,12March2021.灭活疫苗是传统成熟的技术路线。RNA疫苗有效性较高，代表着未来疫苗新技术和新趋势。冷冻干燥是提高疫苗热稳定性的理想技术。冻干疫苗制剂开发应探索冻干保护剂和冷冻保护剂、其他稳定赋形剂的选择以及冻干过程中的冷冻干燥工艺的影响，以防止对疫苗造成任何损害。在开发项目中，应根据配方和工艺问题考虑对工艺条件的影响，以及它如何影响产品质量属性。通过了解这些潜在机制，结合先进的PAT工具和QbD理论，实现快速合理开发，最终获得有效性高、长期稳定性好的预防疫苗和治疗疫苗，快速预防和消除人类疾病！

7月4日，清华大学-北京大学生命科学联合中心青山湖平台挂牌暨2022年暑期学校启动及水木未来冷冻电镜项目投用仪式在青山湖科技城举行。清华大学校长助理、清华大学-北京大学生命科学联合中心主任王宏伟，西湖大学校长助理王廷亮，北京大学生命科学学院副院长、教授高宁，清华大学生命科学学院副院长欧光朔，杭州城西科创大走廊党工委委员、管委会副主任施黄凯，临安区领导杨泽伟、陈立群、蔡萌、裘凯，以及临安区有关部门、清华大学、北京大学、浙江大学等高校师生参加活动。活动现场青山湖科技城是浙江建设科技强省和创新型省份的重大工程，也是杭州城西科创大走廊的重要一极。自成立之初起，青山湖科技城就高度重视科技创新，集聚了36家科研院所，拥有众多共享仪器设备和研发平台；近年来，更是聚焦高端装备制造、未来微电子、新材料等领域，打造成为城西科创大走廊“硬科技”创新策源地。水木未来冷冻电镜项目投用仪式在杭州市临安区政府推动下，水木未来“全球冷冻电镜与人工智能药物创新中心”设立于青山湖科技城，旨在建立全球最大的冷冻电镜平台和生物大分子高精度结构数据库，面向全球科研机构和创新药企提供服务和创新疗法共同开发；与清华大学和国内外顶级科研机构合作，提升基础科研水平，整合基础研究、技术开发和成果转化，打造全球化结构与AI药物创新发现基地。水木未来源自清华，是一家基于冷冻电镜和AI的精准创新药和疗法研发企业，拥有亚太区第一个商业化冷冻电镜服务平台，在小分子、抗体药、RNA药物、蛋白降解、基因治疗等领域，助力全球创新药企药物研发。经过一年的紧张筹备，水木未来“全球冷冻电镜与人工智能药物创新中心”在青山湖科技城投用。参观水木未来冷冻电镜实验室目前，6台300kV高配电镜已就位，结合自主研发的AI驱动的新一代电镜结构解析和建模软件平台、GraFuture™ 石墨烯载网冷冻制样技术，水木未来青山湖基地在推动冷冻电镜效率、分辨率和产业化方面，又向前迈出一大步。据青山湖科技城管委会相关负责人介绍，该项目的投用，将有力提升科技城乃至临安、城西科创大走廊的生物医药创新研发水平，并加快生物医疗领域产业集聚，助力城西科创大走廊打造生命健康产业创新策源地，以“结构+计算”助力加速全球创新药物发现。会议期间，与会人员参观了水木未来冷冻电镜项目实验室、青山湖科技城规划展览馆，并举行了政校深化合作座谈。笔者注：据了解，此次在青山湖科技城投用的水木未来冷冻电镜研发平台，规划了20台高规格300KV冷冻电镜，不久的未来还将引入用于原位高分辨解析的新型高端电镜。水木未来“全球冷冻电镜与人工智能药物创新中心”一期正在装机6台300KV新型高端冷冻电镜、2台200KV冷冻电镜，旨在建立全球最大的冷冻电镜平台和生物大分子高精度结构数据库，推动新一代AI精准化药物和疗法的源头创新。据悉，电镜平台综合实验室由上海音宁电子科技有限公司设计施工一体化建设。有关负责人透露，全球已有多家顶尖实验室表达合作意愿。

俄勒冈州希尔斯伯勒市，2022年8月1日讯。赛默飞世尔科技推出了Thermo Scientific Arctis冷冻等离子体聚焦离子束电镜（Cryo-PFIB），这是一款全新的自动化显微镜，经过设计可用于加快冷冻电子断层成像（Cryo-ET）研究的步伐。冷冻电子断层成像（Cryo-ET）技术使得细胞生理环境中的蛋白质研究和其他分子的运行机制研究成为可能，与其他显微镜技术相比，其分辨率达到了前所未有的水平，而且可以在细胞生物学研究方面发挥巨大的潜力，包括传染性疾病、神经退行性疾病和其他具有全球影响力的结构生物学应用。然而，为冷冻电子断层成像技术制备最佳样品的过程仍然耗时且复杂。Arctis Cryo-PFIB通过为用户提供先进的自动化和全新的连接解决方案能力，可以解决工作流程中的多种挑战，与其他的解决方案相比，Arctis Cryo-PFIB极大地提高了通量，可以快速、持续制备适用于冷冻电子断层成像技术的样品。该系统旨在提供厚度均一的高质量样品，同时最大限度地降低样品污染风险。用户可以享受到内置一体化光电联用显微技术、专用等离子体FIB技术、先进的自动化和全新的连接功能，包括简化上样和样品转移功能。亮点包括：1、一体化光电联用显微镜技术（CLEM）：用于快速定位感兴趣的区域。2、等离子体FIB技术：用于快速减薄大块样品并快速定位到感兴趣的区域。3、自动化功能：可简化样品制备并实现远程操作，与当前基于镓的冷冻FIB解决方案相比，可实现长时间的自动化运行、可重复的结果和更高的通量。4、工作流程中的连通性：可简化将样品转移到Thermo Scientific Krios或Glacios冷冻透射电子显微镜（Cryo-TEM）的过程。Arctis Cryo-PFIB 配备了赛默飞世尔科技推出的行业领先的自动上样系统（Autoloader），可自动装载多达12个载网。全新的专用TomoGrid可以确保减薄后的样品与透射电子显微镜倾斜轴实现最佳对齐。如要报名参加9月21日的全球新品发布网络研讨会，请扫描下方二维码注册研讨会。

超新芯是国家级高新技术企业、厦门市双百人才企业、创新型中小企业、福建省知识产权优势企业，自主研发的电镜原位显微分析系统，覆盖液体、气体、力学、加热、冷冻五大系列，客户包括北大、清华、浙大等国内知名院校、中科院等国内外科研单位、各类国家级重点实验室，打破了欧美公司的垄断，实现进口替代，市场销量领先。

p style=" TEXT-ALIGN: center" strong 第二届电镜网络会议(iCEM 2016)特邀报告 /strong /p p style=" TEXT-ALIGN: center" strong 高压快速冷冻电镜固定技术及在生命科学中的应用 /strong /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" personalfoto.jpg" style=" HEIGHT: 299px WIDTH: 200px" border=" 0" hspace=" 0" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201609/insimg/8161dc5a-ce0a-4fad-b46b-7088733e4181.jpg" width=" 200" height=" 299" / /p p style=" TEXT-ALIGN: center" strong 赵善廷 教授 /strong /p p style=" TEXT-ALIGN: center" strong 西北农林科技大学动物医学院 /strong /p p strong 报告摘要： /strong /p p 　　电镜技术在生命科学中的应用已有六十多年的历史，为生命科学在形态结构方面的研究带来了一场革命，突触(synapse)的发现就是一个典型的例子，它结束了自十九世纪末至二十世纪五十年代近半个世纪有关神经元之间是否有直接联系的神经生物学世纪之争。 /p p 　　生命科学常规电镜技术需要先用甲醛、戊二醛等化学试剂对样品进行化学固定，但化学固定有以下三个方面的缺点，一是固定过程至少需要数分钟，而机体内的许多生理过程都非常短暂，仅持续数秒甚至毫秒，如神经元突触小泡内神经递质的释放，用传统化学固定方法无法扑捉到这些生理过程的形态学变化和特征，而且植物细胞有细胞壁，昆虫如线虫等体表有几丁质，化学固定剂很难渗透，严重影响固定的效果 二是包埋前需要用酒精等有机溶剂对样品进行脱水，这一过程会造成细胞和组织皱缩，使其形态和大小发生改变 三是化学固定剂特别是戊二醛可引起蛋白质变性，造成蛋白质抗原特性改变，使其与相应抗体的结合能力下降甚至丧失，导致电镜免疫组化染色失败。 /p p 　　为克服化学固定以上缺点，科学家发明了一种新的物理性电镜固定技术，称为高压快速冷冻电镜固定技术，利用该技术可以在不使用任何化学固定剂的条件下在五十毫秒之内将组织和细胞完全固定，然后既可通过常规电镜包埋和超薄切片后进行超微结构观察和研究，也可通过冰冻替代技术包埋和切片后进行包埋后免疫胶体金染色(post-labeling)，对蛋白质进行超微结构下的定位定量研究。 /p p 　　虽然高压快速冷冻固定技术克服了化学固定的三大缺点，但它本身也有一个缺点，即固定的样品非常小，直径不能超过1毫米，厚度不能超过200微米，限制了它在神经生物学研究中的应用。为了克服高压冷冻固定技术的缺点，将其应用到神经生物学研究中，赵善廷教授与该技术的发明者Studer博士合作，将器官型脑片培养技术(organotypic slice culture)和高压快速冷冻固定技术相结合，成功地研究了与学习和记忆密切有关的长时程效应(long-term potentiation, LTP)对突触的影响。 /p p 　　结果显示与化学固定相比高压冷冻固定后细胞和组织的超微结构更加清晰完整，LTP十分钟后突触小泡的数量明显下降，突触结构明显改变。结合包埋后免疫胶体金技术我们发现高压冷冻固定可明显提高胶体金标记的阳性率和特异性。因此，高压快速冷冻电镜技术为研究突触小泡递质释放和再循环机制及相关蛋白在突触上的超微结构定位和定量等神经生物学方面的研究提供了有利条件。 /p p 　　参考文献： /p p 　　1， Studer D*, Zhao S*(equally contributed), Chai X, Jonas Peter, Graber W , Nestel S, Frotscher M. Capture of activity-induced ultrastructural changes at synapses by high-pressure freezing of brain tissue. Nature Protocols. 2014 9(6):1480-95. /p p 　　2，Zhao S, Studer D, Chai X, Graber W, Brose N, Nestel S, Young C, Rodriguez EP, Saetzler K, Frotscher M. Structural plasticity of hippocampal mossy fiber synapses as revealed by high-pressure freezing. J Comp Neurol. 2012 520(11):2340-5. /p p strong 报告人简介： /strong /p p 　　赵善廷，西北农林科技大学动物医学院“后稷学者”特聘教授，博士生导师，陕西省“百人计划”入选者，德国汉堡大学客座研究员。 /p p 　　主要学习经历 /p p 　　1980.9-1985.7： 滨州医学院，临床医学专业，获学士学位 /p p 　　1985.9-1988.7： 新疆医科大学，组织胚胎学专业，获硕士学位 /p p 　　1998.10-2001.1：德国Freiburg大学医学院, 解剖研究所，获医学博士学位 /p p 　　2001.1-2004.9： 德国Freiburg大学医学院, 解剖研究所，博士后 /p p 　　主要工作经历 /p p 　　1988.8-1998.9： 新疆医科大学，组织胚胎学教研室，助教，讲师，副教授 /p p 　　1997.5-1998.4： 德国Freiburg大学医学院，解剖研究所，访问学者 /p p 　　2004.10-2010.12：德国Freiburg大学医学院，解剖研究所，助理教授 /p p 　　2008.12-2011.3：兰州大学生命科学学院，“萃英学者”特聘教授，博士生导师 /p p 　　2011.1-至今：西北农林科技大学动物医学院“后稷学者”特聘教授，博导， /p p 　　陕西省“百人计划”入选者，德国汉堡大学客座研究员 /p p 　　工作简介 /p p 　　在德国Freiburg大学医学院，赵善廷主要以子宫内电击转染、器官型脑片培养、荧光免疫组化、电镜、激光共聚焦显微镜等形态学技术和原位杂交、Western-blot等分子生物学技术对大脑发育，成体神经干细胞及突触可塑性与学习和记忆的机制等神经生物学热点问题进行了深入和细致的研究。 /p p 　　回国后，在继续进行以上研究方向的基础上，赵善廷开展了环境和疫病对动物和家畜神经系统的影响、应激和动物福利对畜禽免疫力和健康养殖的影响及与食品安全的关系、中药对神经系统的影响及对老年性疾病的预防和治疗等方面的研究。先后发表学术论文90余篇，其中在“Nature”子刊、“Journal of Neuroscience”、“Development”等国际著名学术杂志上发表SCI论文53篇，累积影响因子超过250，其中17篇影响因子在5以上，一篇影响因子高达31.7 。 /p p 　　自2002年以来作为主要人员参与德国及欧共体重大科研项目4项(相当于中国973项目)，并主持一项子课题。回国后主持2项国家自然科学基金面上项目和2项省部级项目。 /p p strong 报告时间： /strong 2016年10月26日上午 /p p a title=" " href=" http://www.instrument.com.cn/webinar/icem2016/index2016.html" target=" _self" img src=" http://www.instrument.com.cn/edm/pic/wljt2220161009174035342.gif" width=" 600" height=" 152" / /a /p

仪器信息网讯 2014年7月28日-30日，&ldquo 2014冷冻电镜三维分子成像国际研讨会&rdquo 在中国科学院上海生科院生化与细胞所/国家蛋白质科学中心&bull 上海(筹)召开。 　　冷冻电镜三维分子成像国际研讨会源起于2008年由郭可信先生的学生组织发起的&ldquo 郭可信电子显微学和晶体学暑期学校&rdquo 。当时我国在电子显微学领域的研究实力非常强，但主要体现在材料物理方面，在生物领域的研究应用还基本处于空白状态。会议的组织者希望能通过举办这样的会议将国内生物电镜的应用带动起来。第一届主要以培训的形式为主，到2010年第二届会议时，组织者提出了在培训同时举行冷冻电镜三维分子成像国际研讨会，以促进冷冻电镜前沿研究的交流。 　　本次大会主席由海外华人学者加州大学旧金山分校副教授程亦凡、美国纽约州立大学石溪分校教授李慧林，联合中科院上海生化细胞所/国家蛋白质科学中心&bull 上海(筹)的丛尧、何勇宁研究员四位专家构成主席团。 　　会议参会人员近300人，远远超过了原计划的150人的预期。主办方邀请了来自世界各地的30余位杰出的电子显微学家作大会报告及培训指导，如美国贝勒医学院教授、美国科学院院士Wah Chiu (赵华)，美国加州大学旧金山分校教授、美国科学院院士David Agard，美国加州理工学院教授、霍华德休斯研究员Grant Jensen，美国加州大学洛杉矶分校教授、纳米机器电子成像中心主任Z. Hong Zhou (周正洪)、中国科学院院士隋森芳等。 　　冷冻电镜技术发展迎来新纪元 　　2014年年初，冷冻电镜曾被《Nature Methods》杂志评选为&ldquo 2014年最受关注的技术&rdquo 。从此次会议的盛况来看，这一称号冷冻电镜可以说&ldquo 当之无愧&rdquo ，会议甚至吸引了此前一直利用X射线晶体学进行结构生物学研究的清华大学教授施一公前来参加。 　　冷冻电镜突然之间如此备受关注，和去年年底华人学者程亦凡发表的一项成果有着莫大的关系。2013年12月5日，程亦凡与同事David Julius两个实验室合作，以近原子分辨率(3.4 埃)，确定了在疼痛和热知觉中起中心作用的一种蛋白质TRPV1的结构。这项成果可以说是冷冻电镜应用研究的一个分水岭，因为在此之前结构生物学研究主要依赖X射线晶体学，也可用核磁共振(NMR)来研究部分小分子的结构。人们认为冷冻电镜的分辨率不够高，如果研究分子量较大的病毒、核糖体等还可以，而研究小分子量的蛋白质则无法实现。 　　另外，由于TRPV1属于膜蛋白，膜蛋白是重要的药物作用靶点及细胞信号传导通道，所以自1997年它被发现以来，许多研究者都希望能够解析它的结构。但这类蛋白嵌在细胞膜中，很难得到蛋白结晶，因而很难利用X射线晶体学方法对其进行解析。而如今，冷冻电镜以接近X射线晶体学的分辨率成功解析了TRPV1膜蛋白质的结构，可以说是结构生物学研究的一个里程碑事件。程亦凡认为将来会有不少从事X射线晶体学研究的结构生物学家将冷冻电镜作为自己的重要研究工具。 　　李慧林表示：&ldquo 亦凡的工作可以说为冷冻电镜的应用打开了一个新的局面。膜蛋白是重要的药物靶点，因此会有越来越多的制药公司关注这一技术。而现在的制药公司会做很多X射线晶体学的研究工作，以后他们可以有新的选择了。&rdquo 　　我国冷冻电镜技术研究渐入佳境 　　冷冻电镜技术最先由欧美国家在上世纪70、80年代开发并应用，我国科学家在90年代开始冷冻电镜技术的研究，起步比较晚，但近年来伴随海外华人学者的大力帮助，以及近十年来一批优秀的科学家学成回国，我国在这一领域的研究开始蓬勃发展。 　　今年是该会议第四次举办，程亦凡参加了每一届会议，在他看来这四届会议可以说很好的见证了国内冷冻电镜的发展历程。他说：&ldquo 2008年、2010年两届会议我们所有的报告人都来自海外，而到了2012年就有不少国内的学者带来精彩的报告，今年无论是报告人还是参会人数又达到了一个新的高度。&rdquo 　　李慧林则表示：&ldquo 2008年国内当时只有一两个课题组从事冷冻电镜应用研究，而到今年粗略估计已有近20个课题组。清华大学、生物物理所、国家蛋白质科学中心、中科大、中山大学、厦门大学、兰州大学等都有老师在做这方面的研究。&rdquo 　　此外，为了推动我国生物学的快速发展，政府对于这一领域的研究也投入了大量的财力。Wah Chiu在参观了本次大会举办地国家蛋白质科学中心&bull 上海(筹)后感叹地说：&ldquo 我在美国从来没有看到像这样完备的蛋白质研究平台，这为中国和世界上的科学家的提供了非常好研究条件。&rdquo 　　政府科研投入的增加也在一定程度上推动了我国冷冻电镜的技术研究。程亦凡说：&ldquo 2008年时国内还只有清华大学订购了一台300kV的Titan Krios冷冻电镜，到2010年生物物理所和清华大学各有一台，2012年国家蛋白质科学中心&bull 上海开始筹建，订购了3台冷冻电镜，包括一台Titan Krios，今年我们看到这些仪器都已到位，另外浙江大学也开始筹建冷冻电镜实验室，计划采购两台冷冻电镜。&rdquo 　　经过各方面的努力，当前我国的冷冻电镜研究已经取得了一定的成绩，与国际先进水平的差距逐渐缩小。就在今年，生物物理所李国红与朱平研究员合作在《Science》杂志上发表了冷冻电镜30纳米染色质高级结构解析 清华大学施一公院士与剑桥生物医学院Sjors H. W. Scheres教授合作在《Nature》杂志上发表了利用冷冻电镜技术解析人类&gamma -分泌酶(&gamma -secretase)的三维结构。 　　另外，据介绍生物物理所研究员孙飞已经在开始做冷冻电镜技术开发方面的工作。程亦凡说：&ldquo 我觉得他们的工作非常有意义，我们不能只是用别人的技术来做我们的研究，而是不仅要会用这一技术，还要尽力去发展完善这一技术，这样才能有更好的成就。&rdquo 　　冷冻电镜发展前景广阔 人才需求缺口大 　　随着冷冻电镜技术的发展，对于人才的需求也越来越大。我国在冷冻电镜人才培养方面，经过几年时间的积累，也有一些优秀的青年人才成长起来，这其中郭可信电子显微学和晶体学暑期学校发挥了重要作用。丛尧说：&ldquo 我们希望通过暑期学校能培训一批高技术冷冻电镜人才，为冷冻电镜技术在我国的后续发展打下坚实基础。&rdquo 　　程亦凡介绍说：&ldquo 我们现在培养的学生在海外很受欢迎。像隋森芳院士培养的学生很轻松就能拿到几个国际顶级科研机构的博士后offer。&rdquo 　　但是现在对于冷冻电镜人才的需求非常大，我们培养的学生数量还远远不够。程亦凡说：&ldquo 虽然目前冷冻电镜的研究很活跃，但是这一技术还非常不完善，所以有许多的工作要做，需要很多人力。同时，对于一个电镜实验室，往往需要从实验员、到中级管理人员、高级管理人员等各个层次的人才。另外，随着冷冻电镜技术的发展，如果从事X射线晶体学研究的课题组要进入这一领域，最快捷的方法就是招聘从电镜实验室毕业的学生。&rdquo 　　&ldquo 不过在中国，好在我们有一个优势，就是我们的材料电镜非常强，培养的人才已趋于饱和。材料电镜领域的学生他们虽然不懂生物学，但是有着非常强的电镜技术背景，如果他们当中有人愿意转向生物学应用方向，一定会有非常好的发展前景。可以说今后5-10年电镜实验室培养的学生都不愁找工作。我们希望能够吸纳更多的优秀人才从事冷冻电镜的研究，推动这一技术的快速发展。&rdquo 程亦凡说道。(撰稿：秦丽娟) 2014冷冻电镜三维分子成像国际研讨会与会人员合影 　　附录： 　　第七届郭可信电子显微学和晶体学暑期学校举办 　　http://www.instrument.com.cn/news/20140728/137553.shtml 　　国家蛋白质科学中心&bull 上海(筹) 　　http://www.sibcb-ncpss.org/ （原标题：2014冷冻电镜三维分子成像国际研讨会召开）

天然植物吉洛伊的冷冻干燥处理吉洛伊(Giloy)也称为心叶青牛胆(Tinospora Cordifolia),是一种印度阿育吠陀草药，在印度医学中得到认可并长时间使用；在我国湖北西部、陕西南部、四川东部、西藏东南部、贵州、江西、福建及两广地区均有分布。在梵语中，吉洛伊被称为“仙露”(Amrita)，译为“永生之根”，源于它具有丰富的药用特性。在传统的印度医学中，吉罗伊是最有用的阿育吠陀草药之一。它被用作：增强免疫力治疗慢性发热促进消化治疗糖尿病减少压力和焦虑减轻哮喘症状治疗关节炎减缓肿瘤生长提高视力减少年龄痕迹防治呼吸系统问题在本应用中冷冻干燥作为一种干燥方法来保存吉洛伊。由于实验过程处于无液态水、无氧气和低温的操作环境下，冷冻干燥一直被认为是最适合保存天然植物及生物材料的技术之一。它用一种温和的方式来去除水分，同时获得最高质量的最终产品，能够保留生物活性化合物，以及质地、颜色和气味，同时减少样品重量更加方便运输。吉洛伊茎和其研磨的膏体可以直接进行冷冻干燥处理，干燥后的吉洛伊茎和膏体可以研磨成粉末，直接食用或做成果汁享用。尽管冷冻干燥是一种温和的干燥过程可以保留产品的特性，但某些特质：例如颜色、气味、质地、复水性、体积特性、流动性、水分活性以及营养物质和挥发性化合物的保留，都可能受到干燥过程的影响。例如，生物活性化合物和营养质量的保留，会受氧含量或过高温度的影响。因此，在制定冻干方法时应考虑到这点：以吉罗伊为例，如果温度超过45°C，营养成分可能会受到影响，在设置冷冻干燥方法时必须注意这一参数。 1仪器和实验材料冻干机 BUCHI Lyovapor&trade L-200 Pro，搭配可加热搁板冻干软件 BUCHI Lyovapor&trade Software真空泵 Pfeiffer Duo 6”海尔低温冰箱 -40°C 2实验流程样品准备：新鲜采集的绿色吉洛伊茎 600g，切成长度约 5cm 块。用蒸馏水清洗干净后放入托盘中，连同搁板一起放入 -40℃ 冰箱中进行预冻。冻干参数设定：经过一夜深度冷冻后，冷冻的吉洛伊茎连同托盘和搁板一同被转移到 Lyovapor&trade L-200 冻干机中，冷冻干燥参数如下表所示。可加热搁板的初始加载温度设定为 -25℃，然后设定升温至0℃。此次冷冻干燥分为初级干燥和二级干燥两步，初级干燥时长约为 12 小时，二级干燥搁板温度设定为 40℃，持续时间 12 小时 30 分钟。为保护植物中营养物质不受破坏，因此搁板温度控制在 40℃ 以避免达到临界温度。 3 实验结果冷冻干燥前冷冻干燥后在冷冻干燥处理后，可观察到吉洛伊茎已成功干燥。从上图中可以看出植物外形未受任何影响，去除水分93.5%（下表）。描述重量（g）初始重量600最后重量172.58吉洛伊重量161.40总除水量%93.5 %本实验使用 LyovaporTM L-200 冷冻干燥机，采用一级和二级冷冻干燥编程的方法成功干燥吉洛伊植物茎。冷冻干燥是以温和并高效的方式除去产品中水分的技术，所以非常适合温和干燥吉洛伊这类天然植物。在干燥处理后，冻干的吉洛伊茎可以使用研磨机磨成粉，直接食用或制备成胶囊，也可以加入到果汁中，以获得其中植物性免疫活性成分增强身体免疫能力。4参考文献https://www.fda.gov/inspections-compliance-enforcement-and-criminal-investigations/warning-letters/emmbros-overseas-lifestyle-pvt-ltd-565631-02052019https://food.ndtv.com/health/10-amazing-benefits-of-giloy-the-root-of-immortality-1434732#:~:text=%E2%80%9CGiloy%20(Tinospora%20Cordifolia)%20is,of%20its%20abundant%20medicinal%20propertiesMayer, A.M. Harel, E. Polyphenol oxidases in plants. Phytochemistry 1979, 18, 193–215.Gibson, L.J. The hierarchical structure and mechanics of plant materials. J. R. Soc. Interface 2012, 9, 2749–2766.Kulkarni RC, Mandal AB, Munj CP, Dan A, Saxena A, Tyagi PK. Response of coloured broilers to dietary addition of geloi (Tinospora cordifolia) during extreme summer. Indian Journal of Poultry Science. 2011 46(1):70-74Bhattacharyya C, Bhattacharyya G. Therapeutic potential of Giloy, Tinospora cordifolia (Wild.) Hook. f. and Thomson (Menispermaceae): The magical herb of ayurveda. International Journal of Pharmac. Biol. Arch. 2013 4(4):558-584.

细胞里面的生命活动井然有序，每一个部分都有其特定的结构，承担不同的功能。生物大分子则是一切生命活动的最终执行者，它们主要是核酸和蛋白。核酸携带了生命体的遗传信息，而蛋白是生命活动的主要执行者。自现代分子生物学诞生以来的半个世纪里，解析和分析生物大分子的结构、进而阐释其功能机制一直都是现代生命科学的核心问题之一。　　事实上，一切自然科学都涉及物质结构及结构间的相互作用为核心的研究方向，天文学研究宇宙、星体等的结构及其相互作用，粒子物理研究物质世界的基本粒子的结构和相互作用，甚至包括应用性很强的材料科学都是以研究新型材料的结构和性质等为核心。结构生物学研究的直接目的是弄清楚生命大分子结构，从而更好地理解生命，理解这个自然界中“逆热力学第二定律”而诞生的奇迹 最终目标是公众通常关心的实用价值。　　像数学物理公式不会直接造出飞机、导弹、计算机一样，蛋白质结构这样的基础研究不会直接转化为人们生产生活的必须物品。比较具体的应用，如药物设计、疫苗开发、医疗诊断和蛋白质分子性能改造(如科学实验或工业生产中酶活性稳定性优化)等是蛋白质结构研究比较容易被大众所理解的一个方向，但却只是其研究价值的一个侧面而已。　　蛋白质结构如同生命科学里的数学公式和物理定律，甚至在以后会充当生命科学里面的“化学元素周期表”，除了帮助发现或设计新药等，它更重要的价值是作为最基础最上游的研究之一，通过影响一切与其密切相关的下游科学和技术，从而改变我们的世界。　　结构生物学最早诞生于上个世纪中叶，它是一门通过研究生物大分子的结构与运动来阐明生命现象的学科，在其发展史上有两个里程碑式的事件，一个是 DNA双螺旋结构的发现，另一个肌红蛋白(Myglobin)晶体结构的解析，这两个事件都是上个世纪最重要的革命性科学进展，均在剑桥MRC分子生物学实验室完成，并且都于1962年获得了诺贝尔奖(一个生理学或医学奖，一个化学奖)。同时它们都是最早使用X射线的方法来解析生物大分子结构，而这个方法在过去半个世纪里，一直占据结构生物学的统治地位。　　在当今结构生物学研究中普遍使用的冷冻电镜，是上个世纪七八十年代开始出现、近两年飞速发展的革命性技术，它可以快速、简易、高效、高分辨率解析高度复杂的超大生物分子结构(主要是蛋白质和核酸)，在很大程度上取代并且大大超越了传统的X射线晶体学方法。　　革命性的冷冻电镜技术　　冷冻电镜并不是这两年才建立的。在蛋白质X射线晶体学诞生大约10多年以后的1968年， 作为里程碑式的电镜三维重构方法，同样在剑桥MRC 分子生物学实验室诞生，Aron Klug教授因此获得了1982年的诺贝尔化学奖。另一些突破性的技术在上世纪70年代和80年代中叶诞生，主要是冷冻成像和蛋白快速冷冻技术。这里面的代表科学家有Ken Taylor, Robert Glaeser和Jacques Dubochet等。　　快速冷冻可以使蛋白质和所在的水溶液环境迅速从溶液态转变为玻璃态，玻璃态能使蛋白质结构保持其天然结构状态，如果以缓慢温和的方式冷冻，这个过程会形成晶体冰，生物分子的结构将被晶格力彻底损坏。低剂量冷冻成像能够保存样品的高分辨率结构信息，确保了从电镜图形中解析蛋白质结构的可能性。与此同时Joachim Frank等则在电镜图像处理算法方面奠定和发展了这项技术的理论基础。由此冷冻电镜的雏形基本建立，总的思路为：　　1)样品冷冻(保持蛋白溶液态结构) 　　2)冷冻成像(获取二维投影图像) 　　3)三维重构(从二维图像通过计算得到三维密度图)。　　该方法为生物大分子结构研究提供了一个和X射线晶体学完全不一样的、全新的思路。但是由于技术方法的瓶颈，在此后30多年的时间里只能做一些相对低分辨率的结构解析工作，在分辨率上一直不能和X射线晶体学比较，甚至一度被嘲笑为”blob-ology“(英文讽刺语，“一坨轮廓的技术”)。冷冻电镜三维重构得到的电子云密度图和原子模型(局部)。张凯供图　　但对于冷冻电镜来说，技术难点远非单纯冷冻。冷冻成像和图像处理算法一直都是瓶颈。从冷冻电镜技术诞生以来的近30年时间里，其一直都有进展，只是相对比较缓慢。　　最重要的革命性事件大约发生在两三年前：一个是直接电子探测器的发明，另一个是高分辨率图像处理算法的改进。MRC分子生物学实验室的两位科学家Richard Henderson和Sjors Scheres在这次革命中起了关键作用(作者注：现代科技革命往往是诸多研究机构若干团队共同参与，此处仅列举关键代表，并且仅从技术角度讨论，不涉及生物学应用)。　　Richard Henderson是探测器方面的先驱，而Sjors Scheres则因他设计的Relion程序而名声大噪，他们由此当选为《自然》杂志2014年“十大科学进展年度人物”。两位科学家一个从硬件，一个从软件将冷冻电镜技术推向了巅峰，将冷冻电镜技术的分辨率推向了新高度。(作者注: Henderson教授的贡献远非探测器一个方面，包括冷冻电镜理论基础、算法、软件，重要生物大分子应用，如曾首次解析视紫红质跨膜螺旋等等方面 早在20多年前，他就通过一系列理论分析，预言了冷冻电镜研究的尺度、分辨率极限、技术瓶颈等等，并且断言：冷冻电镜将超越其它一切技术方法，成为蛋白质结构研究的主导工具，如今这些预言全部应验。)　　和此前使用的CCD相比，新发展的直接电子探测器不仅在电镜图形质量上有了质的飞跃，同时在速度上大幅提高，还可以以电影的形式快速记录电镜图像。这些特性同时也伴随着电镜图像处理方面的重大变革，电镜技术此前在分辨率上的一个主要瓶颈是电子束击打生物样品造成的图像漂移和辐射损伤。有了快速电影记录，我们就可以追踪图像漂移轨迹而对图像做运动矫正和辐射损伤矫正，大大提高数据质量。　　尽管如此，电镜图像处理一直都是一项极具挑战性的任务，主要的问题是冷冻电镜的图像噪音极高、信号极低，而我们的目标是从中提取近原子分辨率的结构信息，这就像在一个机器轰鸣的工厂里监测一只蚂蚁爬行的声音。冷冻电镜科学家就是要完成这项艰巨的任务，并且真的做到了。有了硬件和软件方面的双重提高，冷冻电镜的分辨率目前已得到了极大的提高，可以和晶体学相媲美 并且在其它方面已经大大超越了晶体学。　　主要体现在下面几个方面：　　第一，不需要结晶，研究对象范围大大扩展，研究速度大大提高。对于小分子，比方说无机盐矿物质等自发就能长出晶体，小而且稳定的蛋白质目前来说结晶并不困难，但是这类意义重大的蛋白几乎都已经解析完了，在科学上没有任何重大意义 当今时代，小蛋白已经完全不能满足科学家们强烈的探索欲望，结构生物学研究的对象越来越大，体系越来越复杂，结晶几乎成为不可能的事情，即使能结晶，也不一定衍射，有衍射也不一定能得到原子分辨率结构。　　很多年前，许多蛋白质晶体科学家为了完成一项艰巨的任务，一个课题少则5到10年，多则20年，核糖体从上世纪80年代初首次长出晶体到 2000年左右最终拿到原子分辨率结构整整经历了20年 线粒体呼吸链复合物I从上世纪90年代初研究，第一次报道完整晶体结构大约是20年以后。　　而冷冻电镜方法跳过超大分子复合物结晶难的这层技术屏障，以直接解析复合物的溶液状态的结构为目标。　　现在利用这项技术，在MRC-LMB一周时间就可以解析一个新的核糖体结构 英国皇家学会主席、MRC-LMB结构中心主任 Venki Ramakrishnan 教授，因为核糖体的晶体结构研究而获得2009年诺贝尔化学奖。他的实验室在2014年发表了最后一篇晶体结构文章，此后的文章全部以冷冻电镜为主。哥伦比亚大学有一个非常执着的博士后，研究兰尼碱受体(Ryanodine Receptor)晶体结构长达十年之久，最后放弃了晶体，转向了冷冻电镜技术，同时与清华大学教授颜宁和LMB的Scheres研究组合作，几个月就解决了这个难题，并且达到近原子分辨率。　　第二，样品需求量小，样品制备快，可重复性高。重要生物样品都是非常珍贵的，总体来说是以微克或者最多以毫克来计量，即使得到这点样品，也要花费生物学家几周、几个月甚至更长的时间(大多数时候都需要摸索各种条件使样品处于相对稳定的状态，以便做进一步结构研究)。　　蛋白质晶体一般要求高浓度大体积，没有量变就没有质变。而同样量的蛋白可以稀释以后制备若干冷冻电镜样品，每个样品有成百上千的区域，每个区域有几百个小孔，每一个小孔甚至可以收集多张照片。解析一般蛋白的原子结构需要几万个颗粒，而对于高对称性的样品几千个颗粒就足够。　　第三，可以研究天然的、动态的结构。X射线晶体学研究生物大分子结构的一个主要弱点是无法拿到天然的动态的结构，这是因为研究人员无论如何也无法绕开结晶这个过程。冷冻电镜就是要做这件事情：直接解析天然的、溶液态的、动态的(dynamic)，甚至原位(in situ)的结构，从而理解生命分子如何在空间和时间两个尺度上以活的动态的方式发挥功能。　　晶体学只能尝试不同的条件获得生物大分子某个或者某些固定的状态，而且容易出现晶体堆积引起的不真实相互作用方式。形象地说，冷冻电镜可以制作完整的高清电影，晶体学只能从电影里截屏。　　第四，技术革命还将开启巨大的潜在医疗价值。冷冻电镜技术方法在时间和精度方面的大幅度提高有时会导致不可预测的重大科学和应用价值。比如，活体病毒结构分析如果可以在分钟级别完成，这将有可能转化为潜在的医疗检测手段：从病人体内抽取血样或感染组织细胞，几分钟以后，非常清晰明了地展现病人在细胞内部结构层面的异常状况，甚至给出局部的原子结构图，从而给出精准的治疗方案。这个想法现在可能听起来有点像笑话，或许再过若干年人们就不这样认为了。　　当然冷冻电镜的革命性不仅仅体现在上述四方面，在此就不一一列举。有关冷冻电镜更加详细的介绍，可参见笔者等2010年的中文综述(《生物物理学报》，2010年7月，第26卷，第7期: 533-559)。文章中对未来几年的发展趋势所做的展望，如直接电子探测器的普及、非对称性蛋白复合物近原子分辨率结构解析、冷冻电镜相关计算性能的大规模提升等等，目前绝大多数都在过去的两三年内得以实现并飞速发展。　　华人学者在冷冻电镜领域的贡献　　在冷冻电镜的这场技术革命中，华人科学家功不可没，在某些方面甚至独领风骚，做出了诸多重大成果。　　加州大学旧金山分校(UCSF)的华人科学家程亦凡教授在2013年底，首次利用冷冻电镜技术解析近原子分辨率膜蛋白结构，这项成果在业界引起了巨大轰动。原因在于当所有电镜结构生物学家还在讨论膜蛋白到底能不能利用冷冻电镜技术看到二级结构，也是通常我们认为的中等分辨率水平的时候，程亦凡教授研究组直接解析了TRPV1 这个膜蛋白3.3埃近原子分辨率的结构(Nature，504：107–112)。　　笔者曾在该文章发表的半年前在一次国际会议上和冷冻电镜领域顶级学者深入讨论过如何获得清晰的膜蛋白α -螺旋结构，对方给出了悲观的结论：“恐怕不太可能，至少最近两年不可能”。　　事实上，此前蛋白质晶体学家已经有所耳闻“冷冻电镜可能在未来几年会超越并且取代晶体学”，但是谁也没想到会是以这样快速和震撼的方式登场，这在某种程度上引发了不少蛋白质晶体学家的“职业恐慌感”。这项成果的两个共同第一作者廖茂福、曹尔虎也都是非常杰出的青年华人科学家。　　加州大学洛杉矶分校的周正洪教授早在2008年到2010年左右，在这场电镜技术革命来临之前，在各项技术条件尚未成熟的情况下解析了一系列近原子分辨率病毒结构。当时采用的是传统胶片来成像，任务非常艰巨，连他还在上学的儿子也都帮忙一起洗胶片。张兴博士在这一系列稍早的重要成果中充当了先锋。早在2008年，第一个近原子分辨率的冷冻结构，也即3.8埃轮状病毒就是张兴博士作为第一作者完成的(PNAS, 105(6): 1867-1872)。从1968年Aaron Klug创立电镜三维重构理论，到2008年人们首次看到通过冷冻电镜获得近原子分辨率结构，整整用了40年。　　在国内，清华大学的隋森芳院士是我国冷冻电镜领域的先驱，不仅德高望重，还培养了一大批优秀的青年科学家，包括清华大学的王宏伟教授以及 MRC-LMB的白晓晨和畅磊福博士等等。王宏伟早年在隋老师实验室做研究生的时候，在我国研究设备和条件全面落后于国外的情况下依旧做出了许多非常出色的工作。　　MRC-LMB的多位青年华人研究人员对冷冻电镜发展都做出了重要贡献。白晓晨博士在MRC-LMB首次使用直接电子探测设备Falcon I 和Sjors Scheres博士的新程序Relion，获得了第一个不对称样品核糖体的近原子分辨率冷冻电镜结构，打响了冷冻电镜革命的第一枪，随后解析了一系列核糖体和蛋白复合物结构。畅磊福博士在LMB首次获得非核糖体不对称蛋白样品APC复合物的近原子分辨率结构，阐明了蛋白质泛素化的重要机理。笔者主要在LMB的Andrew Carter博士实验室从事动力蛋白结构和功能研究，并成功解析动力蛋白激活因子Dynactin结构，提出了目前为止动力蛋白最详尽可靠的运动和激活机制(Science, 347(6229):1441-1446. 封面文章)，同时独立发展冷冻电镜技术方法。　　1953年4月25日，MRC沃森和克里克在《自然》杂志发表DNA双螺旋结构，61年后的同一天，我国科学家、中科院生物物理研究所的朱平和李国红研究员在《科学》杂志以长文形式发表了30nm染色质冷冻电镜结构(DNA双螺旋之双螺旋)(Science , 344(6182): 376-380)。这项工作是冷冻电镜在核心生命科学问题中的成功应用，冷冻电镜部分的工作主要是笔者在生物物理所的同学宋峰博士完成的。　　生物物理所的程凌鹏博士(当前单位为清华大学)获得国内本土第一个原子分辨率的冷冻电镜结构，构建了蚕多角体病毒(CPV)的完整三维原子模型(PNAS，108(4)：1373-1378)。笔者也参与了部分工作, 被其高质量、干净的电子密度图震撼。近期程凌鹏与刘红荣博士合作，在国际上首次发表了CPV完整基因组和RNA聚合酶“原位三维结构” (Science, 2015, 349(6254):1347-50), 引起了很大轰动，这项成果是我国本土冷冻电镜技术和生物学应用的双重突破，被多名同行科学家称赞为”里程牌式发现“。　　我国著名科学家施一公最近发表了一系列重大蛋白复合物的冷冻电镜结构，包括γ -secretase、spliceosome等，被誉为过去几十年我国科学家对基础生物学领域的最大贡献。　　另外，在欧美和中国本土还有一大批华人学者在冷冻电镜或密切相关领域(cryoET等)做出诸多突破性成果，例如匹兹堡大学的张佩君教授(艾滋病毒结构研究)，德克萨斯大学的刘俊教授(细菌运动，噬菌体结构等研究)等，由于时间和篇幅问题，无法一一介绍。　　冷冻电镜的未来展望　　冷冻电镜技术目前仍然在快速发展中，未来冷冻电镜能做什么取决于这项技术能发展到什么程度。现代科学技术革命的一个最大特点是发展速度极其迅速，谁也不知道明天会发生什么，当然也不能十分准确的预知一个领域的发展方向。即便如此，笔者还是对这个领域有一些预测或期待(仅技术角度，不涉及具体生物学研究)。　　1)超大规模、超快速度数据采集和处理。和晶体学相比，冷冻电镜的效率在某些方面已经异常惊人。比如笔者近期与牛津大学王祥喜博士合作，在几个小时以内就可以拿到完整甲肝病毒原子结构，而此前王祥喜博士花费近一年时间结晶才最终拿到原子结构。但是科学技术发展是永无止境的̷̷　　但目前来说，结构生物学的巨大转型必须建立在速度和效率的双重前提下。这需要硬件、软件以及其它交叉学科等多方面的共同发展。　　除了生物学研究应用，笔者一直致力于冷冻电镜技术的发展，最近在提高电镜数据处理结果可靠性和分辨率前提下，上千倍地提高了其中几个环节，过去几百到上千CPU小时的事情，现在几分钟到几十分钟就完成了。但是这只是部分环节，在其它方面依旧非常耗时，整个技术的各个环节如何全面高效高速地完成还需要更多的优秀人才参与。对硬件的发展方面笔者并不是很熟悉，预计在未来会出现超高速度的电子显微镜，大幅度提高电镜原始数据的数量和质量。　　2)大尺度、高分辨率、高动态的生物大分子结构解析。理论上，冷冻电镜可像高清数码摄像机拍电影一样对生物大分子成像和重现其动态结构，研究深层机理。就目前而言，这一方面在技术上远未成熟。大尺度、高分辨率、高动态这几点拆解开来，每一个都不算太难，但是同时满足这几项需求几乎成为不可能的事情。但是这是未来结构生物学的方向，我们不仅仅要看简单的几张静态照片，我们还想看高清电影。　　关于这一点，笔者需要强调一下结构生物学和动力学模拟的区别。结构生物学的动态结构目的是以实验手段完整复原自然状态的动态结构，理解其中机理，是从实验数据出发“重现大自然原貌”的过程，是完完全全可靠的实验结果。而动力学模拟是从已有的理论或经验性的物理学规律出发预测一个生物大分子的动态特性，存在巨大的不确定性，其结果可靠性较差。期待在未来的某个时刻，两者会像上个世纪的理论物理和实验物理一样完美地结合，相互促进。　　大尺度复杂生物系统的高分辨率、动态机理研究涉及诸多学科，不是冷冻电镜一项技术就可以完成的，需要多学科科学家共同参与完成。　　3)高分辨单分子及原位结构研究。目前的结构生物学，无论晶体学、冷冻电镜还是核磁共振主要还是在研究“群体”结构。冷冻电镜相对晶体学在这一方面已经有了大幅度提高，可以通过分类的方法研究群体结构中的每一类结构。但实际上每个分子在时间和空间上除了共性，也必然有特性，如果一种方法强大到可以测得单个分子的高分辨率结构，这必然导致巨大革命，使得人们发现许许多多在群体结构研究层次上无法发现也无法理解的大量规律。　　注意这里强调的是单分子“高分辨率”结构，而不仅仅是单分子结构。单分子结构我们目前可以使用比如冷冻断层成像(cryoET)的手段获得，但是分辨率非常低，在如此低分辨率情况下，别说个体差异，很多群体结构差异都值得严重质疑。或许冷冻电镜技术若干年以后会实现这个目标，或许永远都不可能，或许这个目标被另外一个全新的技术彻底取代，冷冻电镜从此退出历史舞台。　　冷冻电镜：一个高度交叉的学科　　冷冻电镜领域一直是多学科高度交叉和相互促进才诞生的一个奇迹。数学、物理、化学、材料、计算机、软件、机械及自动化、精密仪器仪表等等缺一不可，当然最终的核心是生命科学(作者注：此处仅从结构生物学角度分析，并非泛指一般意义上生命科学是一切学科的核心)。生命科学提出问题，其它所有学科相互结合产生更好的解决方案。通过这些解决方案，发现更多神秘的生命现象，从而提出新的问题，诞生新的技术。　　举个例子，冷冻电镜图像信噪比极低，没有科学家的雄心勃勃，没有大批信号分析、图像处理甚至数学家的参与是不可能完成这样艰巨的任务。同时冷冻电镜领域的一些发现或需求，也为其它领域的科学家提供灵感来源和新的研究思路。MRC-LMB作为现代分子生物学的发源地和近两年来飞速发展的冷冻电镜技术核心研究机构，其一大特点就是多学科“零距离交叉”。从半个世纪前的DNA双螺旋模型、肌红蛋白晶体结构等到近两年冷冻电镜技术革命，一直将这一理念体现得淋漓尽致。技术的发展和重大科学问题的解决几乎都是同时进行的，当然科学问题或应用价值始终是核心和最终驱动力，脱离科学和应用需求的技术发展是没有意义的。　　另外一个比较具体的例子是笔者此前思考过的一个问题。在电镜领域出现直接电子探测设备之后，MRC-LMB的两台高端电镜，每天产生5到10T 的数据量，近期正在调试第三台，也许不久的将来，超大数据、超快速度电镜就会投入生产，这些将会导致全世界各个研究机构普遍出现一个严重的技术问题，就是如何高效、无损、快速地进行数据压缩存储和数据处理，当然这里的无损是相对特定生物样品和特定目标分辨率而言。这或许会引起一些信号处理和图像压缩方面的研究人员的兴趣。　　随着冷冻电镜对生物大分子复合物高分辨率结构研究趋于成熟，更加复杂的动态机理研究是必然趋势，这是冷冻电镜技术发展的一个潜在可能性。但是复杂生物体系的深入研究需要解决一系列数学理论、物理、计算难题，有的可能甚至超出了这些学科目前的研究范畴。近些年比较现实可行的是通过冷冻电镜手段，对特定蛋白复合物非随机情况下的高分辨连续动态构象进行分析。笔者认为，专业数学家的参与会大大加速冷冻电镜技术在这些方面的发展。　　生命体高度复杂，充满很多未知的和未被阐述清楚的规律，这里面有成千上万的生物大分子复合物，每一个复合物又与其它若干分子或复合物相互作用、相互影响，深入再深入地理解生命本质一直都会是冷冻电镜的重要方向。冷冻电镜是强大的基础研究手段，它通过解析高度复杂的生物大分子结构，帮助人们更好地理解生命规律，从而影响生命科学相关的一切下游学科和技术，当然也包括更好的发现和设计药物、医疗诊断等具体应用。我们期待在不久的将来，冷冻电镜技术会对科学研究和社会发展等方方面面都产生巨大影响。

冷冻电子显微学近年来在电子显微镜的硬件设备及结构解析的软件算法等方面取得了多个重要的技术突破, 正在成为结构生物学研究的重要技术手段, 为越来越多的生物学研究者所重视. 冷冻电子显微学的技术特点决定了它所具备的一些独特优势和发展方向, 同时作为一个正在迅速发展的科学技术领域, 需要多学科的交叉促进. 　　近期来自清华大学生科院的王宏伟发文介绍了冷冻电子显微学的研究现状及面临的技术挑战, 并提出未来可能实现结构生物学与细胞生物学不同尺度的研究在冷冻电子显微学技术上融合的新方法. 　　结构生物学是 20 世纪后半叶, 尤其是在 80~90年代蓬勃发展起来的重要学科. 通过对生物大分子(蛋白质、核酸及其复合体)的三维空间结构的测定, 结构生物学可以在微观尺度上精确地描述复杂生物大分子的形状, 原子与分子组合方式, 及其表面带电、亲疏水等物理性质, 从而为生物大分子发挥生物学功能的机理提供关键的解释. 进入 21 世纪以来, 结构生物学研究的技术手段日益成熟, 在现代生物学研究的各个分支领域中均发挥着重要的作用. 至今为止, 国际蛋白质结构数据库中的结构数据已经超过 100000, 其中绝大部分结构由 X 射线晶体学及核磁共振波谱学解析而来. 　　近年来, 技术的进步使得结构生物学新的研究手段取得了长足的进展. 2013 年 12 月份发表在Nature 上的利用冷冻电子显微学解析获得 TRPV1 原子分辨率结构的两篇文章, 在结构生物学领域造成了巨大的反响. 美国加州大学旧金山分校的程亦凡研究组与 Julius 研究组合作, 利用冷冻电子显微学技术首次获得了 300 kD膜蛋白 TRPV1的 3.4 Å 分辨率的三维结构, 并建立了该分子的原子模型. 　　其实在过去的几年间, 已经有若干工作报道了利用冷冻电子显微学解析病毒、蛋白酶体复合物、核糖体等近原子分辨率模型. 这些工作的里程碑式意义在于: 高分辨率结构解析过程不需要生长三维晶体, 样品用量非常少, 而且可以在短时间内同时获得多个复合体状态的三维结构. 短短一年里, 冷冻电子显微学技术作为直接解析生物大分子原子分辨率结构的技术手段受到人们的广泛关注. 　　事实上, 电子显微学是结构生物学研究中的老兵. 该技术自从 20 世纪 50~60 年代以来, 一直在研究细胞、 亚细胞及生物大分子结构的研究中扮演着独特的角色, 揭示了很多重要的细胞内精细结构. 在研究生物大分子的结构方面， 该技术采取与 X 射线晶体学及核磁共振波谱学迥然不同的原理, 在过去的几十年里逐渐建立了成熟的图像处理及分析算法, 成为结构研究的一种独特技术手段. 近 10 年来, 该领域的日臻成熟以及科研团队的扩大更快地催生了冷冻电子显微学成像技术与结构解析技术的革命性突破. 自从 2008 年以来, 冷冻电子显微学已经连续获得多种生物大分子复合体的原子分辨率结构, 而且高分辨率结构的解析速度正在呈现迅速上涨的趋势。 　　冷冻电子显微学从 20 世纪中叶开始, 经历了 80年代到 90 年代的技术方法建立时期, 21 世纪初的技术成熟期, 在过去的两年里发生了革命性的技术进步, 进入了快速发展期. 结构生物学和细胞生物学研究者如何抓住这个契机, 如何尽快适应新的局面, 掌握新的技术, 充分发挥该技术的优势从而更加更深入地研究生命现象, 将是未来几年里的一个主题. 数学、物理学、计算机科学、材料科学、化学等众多领域的研究者们必将在未来冷冻电子显微学的新技术新方法的开发中发挥重要的作用, 成为该技术的进一步完善与成熟的重要力量. 　　冷冻电子显微学领域研究者们则需要以主动开放的态度吸引其他领域研究者的合作, 并积极迎接来自更多领域研究者的挑战, 保持并发展自己的技术特长, 站在技术发展的制高点上选准研究方向, 始终在冷冻电子显微学的技术前沿上开疆拓土. 　　原文检索： 　　王宏伟. 冷冻电子显微学在结构生物学研究中的现状与展望. 中国科学: 生命科学, 2014, 44: 1020&ndash 1028 　　Wang H W. Current status and future perspective of cryo-electron microscopy in structural biology. SCIENTIA SINICA Vitae, 2014, 44: 1020&ndash 1028 doi: 0.1360/052014-140

2022/02/18日本电子株式会社（JEOL Ltd.）2022年2月18日正式公布新一代200KV冷场发射冷冻电镜CRYO ARM&trade 200 II (JEM-Z200CA), 主要用于蛋白质的单颗粒分析，该电镜已于2022年1月陆续发货。研发背景不同的研究目的对电镜配置要求各异，在结构生物学中亦是如此。Tomography研究与单颗粒分析对电镜的要求也有区别，由于近年对我公司单颗粒分析电镜的需求猛增，我们专门设计了一款极具针对性的产品。 CRYO ARM&trade 200 II (JEM-Z200CA)不但配置了冷场发射电子枪，镜筒内的欧米伽能量过滤器等日本电子的独门绝技，还专门研制了一款高分辨极靴。主要特点1. 为单颗粒分析研究优化的电子光学系统 全新的高分辨极靴色差系数(Cc) 1.8 mm， 球差系数(Cs) of 1.5mm，可获得高分辨兼顾高衬度的数据。配合冷场发射电子枪和欧米伽能量过滤器，CRYO ARM&trade 200 II可获得更好高分辨数据。2. 更好的可操作性 CRYO ARM&trade 200 II增加了欧米伽过滤器的自动校正系统和菲涅尔光环消减系统提高了可操作性。3. 更高的稳定性 CRYO ARM&trade 200 II的真空系统和冷冻系统进行了进一步优化以提高整体的稳定性。主要技术指标电子枪冷场发射电子枪 (Cold FEG)最高加速电压200 kV能量过滤器内置式欧米噶能量过滤器 (New Omega Filter)样品冷却温度≤100K 样品储存最多可储存12个样品.选购件JEOL 单颗粒自动采集软件(JADAS)等详情请咨询日本电子株式会社在中国的子公司捷欧路（北京）科贸有限公司及其分支机构

仪器信息网讯 近日，英国科研与创新署（UKRI）消息，英国科研与创新署（UKRI）、科技设施理事会（STFC）、罗莎琳德富兰克林研究所（Rosalind Franklin Institute）、医学研究理事会分子生物学实验室（MRC LMB）合作开发出新型探测器，将为冷冻电镜技术领域带来新的变革。新型探测器由 Quantum Detectors公司推向市场。该技术基于 UKRI开发的技术，由STFC、罗莎琳德富兰克林研究所、MRC LMB 合作开发。冷冻电子显微镜(cryoEM)，使用精确的高能电子束而不是可见光来研究低温下生物样品的结构，以实现原子水平的成像。STFC全新的探测器技术最终将促成非专业实验室使用冷冻电镜技术，从而专业实验室可以承担更加复杂的工作，这将全面提高研究标准。低能量冷冻电镜目前，领先的行业标准冷冻电镜系统都需要大量电能， 标准系统使用300keV电子源运行，是复杂的专用科学仪器，并且只能在专业电镜中心使用。最近，罗莎琳德富兰克林研究所科学家证明，新开发的创新探测器技术可用100keV的低能量实现类似的成像分辨率（冷冻电镜单颗粒成像），而不是200或300keV。这种能量的减少降低了设备成本，降低了电镜的环境要求，这将促成非专业实验室使用冷冻电镜技术，从而专业实验室可以承担更加复杂的工作，这将全面提高研究标准。由 STFC 仪器中心计划支持的 STFC 原型探测器，针对 100keV 的电子高速成像进行了优化（图自STFC） STFC探测器和电子部主管Marcus French，罗莎琳德富兰克林研究所创新和翻译经理Hazel Housden，以及Quantum Detectors首席执行官Roger Goldsbrough（照片自STFC）与 Quantum Detectors 合作的新商业项目旨在提供一种有助于从根本上简化显微镜设计的检测器。这将促使该技术在科研和工业领域中更容易应用并广泛推广。科学与工业之间的合作STFC 校园发展和集群总监、罗莎琳德富兰克林董事会成员 Barbara Ghinelli 博士表示：“这是一个很好的例子，展现了科研机构和工业界（商业化仪器公司）如何联合起来开发并商业化世界领先的技术，造福社会。”STFC 的技术部门与冷冻电镜先驱、诺贝尔奖获得者 Richard Henderson 博士和 MRC LMB 小组负责人 Chris Russo 博士协商开发了该探测器。罗莎琳德富兰克林研究所的创新与翻译经理 Hazel Housden 博士说：“这是cryoEM 技术大众化进程中令人振奋的一步。它将促使常规实验室也可以使用这项技术，使更多的研究人员能够在自己实验室获得自己生物样本的高分辨率图像，并腾出专业实验室进行更复杂的研究和开发工作。我们期待看到这场革命的到来。”更好的成像途径Quantum C100 探测器基于 STFC 的创新工作，针对 100 keV 进行了优化，并已开发为一个关键组件，以促进全球新兴成像领域的更具性价比的准入。Quantum Detectors 首席执行官 Roger Goldsbrough 表示：“近 15 年来，我们一直提供先进的探测器解决方案，Quantum C100 的推出将产品创新提升到更高的层次。我们非常高兴被选中与罗莎琳德富兰克林研究所和 STFC 合作，帮助将 CryoEM 技术带入更广泛的科学界，以全新的仪器为科学家提供所需的更高质量的数据。”信息拓延Quantum Detectors 公司Quantum Detectors (QD) 是用于透射电子显微镜 (TEM) 的先进直接电子探测器 (DED) 的市场领先供应商。QD 最初只专注于 X 射线领域，后来扩展到为显微镜领域。其目前掌握 4D 扫描透射电子显微镜分析的前沿技术，拥有最大DED计数安装基础，支持所有主要 TEM 品牌，包括：日立、日本电子、赛默飞世尔科技。罗莎琳德富兰克林研究所罗莎琳德富兰克林研究所是一家致力于通过跨学科研究和技术开发来改变生命科学的国家研究所。该研究所汇集了生命、物理科学和工程领域的研究人员，以开发旨在应对健康和生命科学领域重大挑战的颠覆性新技术。该研究所最初专注于五个主要研究主题，旨在对成像、诊断、药物开发和更多领域产生重大影响。该研究所由英国工程与物理科学研究委员会的研究与创新基金资助。该研究所是由英国研究与创新中心、十所英国大学和 Diamond Light Source 创立的独立组织，是一家在英格兰和威尔士注册的担保有限公司，其中心设在哈维尔科学与创新园区。

2013年7月1日华盛顿消息，美国环境保护局(EPA)警告个人业主、丙烷制造商和销售商、家装承包人和空调技术人员与在家用空调系统中使用丙烷(propane)或其他未经批准的制冷剂有关的潜在安全风险。 　　EPA正调查丙烷销售以及作为HCFC-22 (R-22) 的替代物使用的情况，HCFC-22 是在家用空调系统中广泛使用的制冷剂。家用空调系统的设计并不适用丙烷或其他类似易燃制冷剂的应用。这些物质的使用可能会给个人业主和维修人员带来火灾或爆炸危害。 　　EPA了解到在海外和美国境内都有发生个人因在空调系统中使用丙烷或其他未经批准的制冷剂而导致受伤的事故。EPA正在调查并将在适当的时候采取强制行动。其他未经批准的制冷剂包括R-290、22a、22-A、R-22a、HC-22a和CARE 40。 　　之前EPA并没有允许在任何种类空调中使用丙烷或其他碳氢化合物制冷剂。个人业主和技术人员只限于在明确专门设计使用这些物质，并正确标记警告技术人员其中含有易燃物质的设备中使用丙烷或其他碳氢化合物。现在EPA已允许在明确设计使用易燃碳氢化合物制冷剂的工业制冷设备以及新的单机零售食物冰箱和冷库中使用丙烷以替代R-22。 　　根据蒙特利尔议定书(the Montreal Protocol)R-22已经逐被步淘汰生产和进口，该环境议定书旨在减少并最终淘汰臭氧层消耗物质的使用，并向全球所有国家开放签认。EPA的显著新替代方案(Significant New Alternatives Policy ，SNAP)项目针对环境改善、卫生安全概况已经列出大量制冷剂清单，并持续评估用于替代R-22和其他臭氧层消耗物质的其他制冷剂。