精密冷冻箱

全球首家磁场催化类科研仪器生产商创新点：（1）以磁场催化为主要功能，比市面上常规冷冻箱保鲜冷藏冷冻效果更佳； （2）低温冷冻下磁场催化能够有效减少对细胞的损坏； 磁场催化冷冻箱

点击此处可了解更多产品详情：生物病理冷冻切片机　　生物病理冷冻切片机 ，是对人体及动植物组织作快速病理切片分析的设备。 它广泛应用于医院、 医学院、法医、动植物科研单位作病理诊断、分析、研究之用。　　　　生物病理冷冻切片机的性能特点：　　1、彩色液晶触摸显示屏，可分别显示切片总数量和切片总厚度、切片厚度、标本回缩值、温度控制及日期、 时间、温度、定时休眠开关机、手动及自动除霜等功能。　　2、人性化休眠功能:在选择休眠状态后，冷冻室温度可自动控制在-5 至-15℃之间，取消休眠后，可以在 15 分钟内达到切片温度。　　3、温度传感器自检功能 ，可自动检测传感器工作状态。　　4、双压缩机为冷冻箱、冷冻台、刀架及样本夹头、组织压平器五点分别制冷。　　5、刀架配彩色刀片推进器及护刀杆覆盖刀片全长 ，安全保护使用者。　　6、配置：X 轴 360° .Y 轴 12°万向旋转卡扣式组织夹头 ，安装组织更加快捷。　　7、防粘组织压平器加入制冷 ，温度可达-50° ，方便急冻组织 ，节省操作时间。　　8、单层加热玻璃视窗 ，有效防止水雾凝结。　　9、手轮定位 360°任意点锁紧功能。　　10、消毒方式： UV 紫外线消毒。　　　　生物病理冷冻切片机的主要组成部分：　　1. 该机上部分为微机控制部分及面板操作 ，温度显示 ，工作状态显示部分。　　2. 中间部分为低温冷冻室 ，为活检组织速冻 ，切片操作部分。　　3. 下半部分为压缩机组制冷部分。　　4. 中后部分为机械传动、 电机驱动部分。【莱恩德新品】生物病理冷冻切片机的性能特点

研究员向记者展示用3D打印模型。左为朱平，手持染色质二级结构左手双螺旋模型 右为李国红，手持DNA右手双螺旋结构模型。 对生命本质的研究一直是最为重要的基础前沿课题。 　　谁在谱写生命的旋律?是&ldquo 种豆得豆，种瓜得瓜&rdquo 的遗传决定本质，还是&ldquo 龙生九子，各不相同&rdquo 的环境改变人生?简单来说，作为遗传信息物质载体的DNA(脱氧核糖核酸)是前者，而身为表观遗传物质基础的染色质是后者。 　　61年前，沃森和克里克提出的DNA双螺旋结构使生命科学进入分子生物学时代，成为20世纪最伟大的科学发现之一。今天，中国科学院生物物理所科学家发现的染色质双螺旋结构揭开了染色质的高级结构变化这一科学界&ldquo 黑箱&rdquo ，对于破译&ldquo 生命信息&rdquo 建立和调控的表观遗传学&ldquo 密码&rdquo 来说，是一个重大突破。 　　① 生命之绳如何缠绕 　　DNA是一条生命的长绳。 　　每个人类细胞的细胞核中都有一条DNA，每条DNA上都含有人类基因组的30亿个碱基对。一条DNA&ldquo 绳子&rdquo 展开可达2米，却要安放在直径只有几个微米(一米等于一百万微米)的细胞核里，就不得不以某种方式绕成&ldquo 线团&rdquo 。 　　DNA的&ldquo 长绳&rdquo ，插上组蛋白、非组蛋白和少量RNA等&ldquo 铆钉&rdquo ，绕合成的复合物&ldquo 线团&rdquo ，就是染色质(脱氧核糖核酸核蛋白)。染色质概念早在1879年就被提出，但直到近百年后的1974年，科学家才利用生物化学和电镜成像技术，发现染色质的一级结构，即由DNA串联的11纳米核小体串珠结构。 　　核小体是染色质结构的基本单元，它如何构成二级结构&mdash &mdash 30纳米的染色质纤维? 　　30多年来，世界各国的科学家们都在探寻这个谜题，他们没能直接观测到，便利用间接证据推测，二级结构可能是6个核小体组成一圈形成中空结构的管状螺旋体。 　　中国科学家的发现推翻了这一经典猜测。 　　李国红研究组负责提供染色质样品。为了适合高分辨率研究，他们必须提供高度均一的30nm染色质样品。 　　&ldquo 我们使用大肠杆菌表达的染色质组分，在体外组装。细胞体内的天然染色质品种太多，体外组装是为了获得大量的单一品种染色质。&rdquo 李国红说，这就好比同一群人，穿花花绿绿便装和穿上统一军服相比，显然后者更整齐更便于观察。 　　研究组在染色质体外重建和结构分析平台上，制备出三种后来获得成功观测结果的染色质纤维。其中一种含24个核小体，两种含12个核小体。&ldquo 制备方法并不难，做成功却很难。比如24个核小体组成的染色质，就必须正好24个，少了多了都不行，缺一个就散了，多了又会纠结到一起。&rdquo 　　样品被送到朱平研究组，用冷冻电镜来观察。 　　生命在于运动，解析生命密码时，运动也会让人头痛。 　　&ldquo 染色质结构是高度动态的，运动的染色质无法进行高分辨率结构解析，因此必须瞬间冷冻固定下来，再用电镜进行观测。&rdquo 冷冻电镜解析高手朱平说。 　　他们把含染色质的溶液样品滴在直径仅3毫米的细圆铜网上，再用滤纸吸取，直到铜网上仅剩一层极薄的溶液，然后让铜网自由落体到零下149度左右的液氮包裹的冷却剂中，瞬间冷冻，降温速度可达每秒几万度。 　　之后，研究组再利用拍多个角度二维照片然后合成三维模型的冷冻电镜单颗粒三维重构方法，获得了由12个和24个核小体组成的30nm染色质纤维的高分辨率三维重构结果。 　　两个研究组紧密合作，在世界上首次解析出染色质的清晰高级结构图：30nm染色质纤维以4个核小体为结构单元相互扭曲形成 结构单元的形成和单元之间的扭转由不同方式的作用力介导 四聚核小体结构单元之间的空隙可能是组蛋白修饰、染色质重塑等重要表观遗传现象发生的调控控制区域。 　　同时，他们发现连接组蛋白H1在单个核小体内部及核小体单元之间的不对称分布及相互作用促成30nm高级结构的形成，首次明确了连接组蛋白H1在30nm染色质纤维形成过程中的重要作用。 　　长期从事X射线晶体学研究的结构生物学家许瑞明研究员的研究组也参与了此项研究。他们进一步发现，染色质纤维的各个四聚核小体单元之间，通过相互扭曲折叠成一个左手双螺旋高级结构，与DNA的右手双螺旋结构类似。&ldquo 我们发现，染色质纤维不是此前大家猜想的每6个核小体一组，而是每4个一组 不是管状螺旋体，而是左手双螺旋。这改写了现代生物学教科书。&rdquo 　　② 淮南为橘 淮北为枳 　　在生命体中，染色质的结构起什么作用? 　　&ldquo 双螺旋是一种很稳定的结构。线的不同绕法决定了线团的不同功能。&rdquo 许瑞明说，&ldquo 搓绳子要搓得紧致有序，这样可以防止DNA损伤，让基因保持沉默稳定 同时也不能搓死，要留有空隙，这样在有需要时可迅速找到并读取遗传信息，也就是激活基因。&rdquo 　　启动于上世纪90年代、于本世纪初基本完成的人类基因组计划是一项规模宏大，跨国跨学科的科学探索工程。为了揭开组成人体的4万个基因的30亿个碱基对的秘密，美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与绘制了人类基因组图谱。 　　如今，&ldquo 生命蓝图&rdquo 的绘制已初现端倪，我们进入后基因组时代。基因组是怎么折叠的?这是人类基因组计划后，科学家关注的一个重要科学问题。 　　生物体如何实现自身这一最为复杂、精密的&ldquo 机器&rdquo 的正常运转?由于&ldquo 生命机器&rdquo 的运转依靠细胞内成千上万的超大分子复合体来执行，所以解析超大分子复合体就成为破解生命奥秘的关键。 　　染色质结构的破译，正是其中最基本的一步。 　　相同的基因，可以有不同的表现。 　　组成一个人的细胞，有50万亿个，200多种，它们的DNA完全一样，为什么会呈现出不同的形态和功能? 　　《晏子春秋》也曾记载：&ldquo 橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳，叶徒相似，其实味不同。所以然者何?水土异也。&rdquo 　　2009年，西班牙和美国的科学家在全基因组水平分析了一对同卵双胞胎的基因组：他们一方正常，一方患有红斑狼疮。 　　上述三例，均为表观遗传调控造成的差异&mdash &mdash DNA序列不发生变化，但基因表达却发生了可遗传的改变。DNA无法改变，表观遗传可以逆转。 　　如果说DNA片段上体现出的基因信息是文字，那么表观遗传就是如何调取不同文字组成一篇文章。DNA决定了这是中文、英文还是法文，表观遗传决定了这是散文、诗歌还是小说。就像你写一篇文章不会用到字典中所有的字一样，在表观遗传机制中，基因也会出现&ldquo 沉默的大多数&rdquo 现象。 　　生命体通过调控细胞核内染色质结构特别是30nm染色质高级结构的动态变化来有选择性地进行基因的激活和沉默，从而控制细胞自我维持或定向分化，决定细胞的组织特异性和细胞命运，进而形成复杂的组织、器官和个体。 　　我国科学家们发现的正是30nm染色质高级结构的基本形状。 　　&ldquo 该发现对于理解生命个体的发育、衰老和重大疾病的发生发展都具有重要意义。&rdquo 研究员李国红说，&ldquo 比如，现在研究发现人类肿瘤大概只有30%-40%是由于基因突变导致的，而表观调控的异常是其他很多肿瘤的诱发因素。科学最终要为人类服务，未来我们会针对染色质开发新的生物医药类产品。&rdquo 　　③ 一流成果四大要素 　　对于染色质的高级结构组装的分析、及表观遗传调控机制的研究来说，这是一个重要的突破性进展。研究人员破解了30nm染色质纤维高分辨率结构精细模型建立这一重大科学难题，并对染色质结构调控的可能机理提供了可靠的结构基础。 　　在激烈的科研竞赛中，这一国际领先的成果是如何取得的? 　　中国科学院生物物理所所长徐涛认为：&ldquo 国际一流成果的产生，必须要有四个基本的要素，即要有国际一流的科学问题，国际一流的研究队伍，国际一流的科研平台和国际一流的体制机制。&rdquo 　　&ldquo 在中科院&lsquo 一三五&rsquo 规划的指引下，我们凝练了国际一流的科学问题。&rdquo 徐涛表示，规划要求每个研究所凝练三个左右重大突破的方向，30 nm染色质高级结构即为该所三大突破方向之一。 　　围绕重大突破方向，分工明确、结构合理的科研团队组建起来了，并体现出极强竞争力。朱平长期从事冷冻电镜高分辨率三维结构研究，李国红长期从事30nm染色质及表观遗传调控研究，许瑞明长期从事X射线晶体学研究。三位专家带领各自的科研组紧密合作，漂亮地完成了任务。&ldquo 国外的同类课题研究，往往是一个课题组做到底，进度就不如我们各有专长、再打好配合快。&rdquo 　　没有金刚钻，不揽瓷器活。国际一流科研平台的建立，也为出成果奠定了良好基础。&ldquo 2010年我们建设了国际水平的冷冻电镜平台，当时投资4000多万，还组织了专业队伍来支撑其运转。&rdquo 徐涛说，通过承担中科院蛋白质科学平台和国家重大科学基础设施&ldquo 蛋白质科学设施(北京)&rdquo 的建设任务，所里已建成FRE高强度X-射线衍射晶体结构数据收集系统、300千伏低温透射电子显微镜、超分辨成像显微镜、质谱分析仪等大型仪器设备，具备了攻关超大分子复合体这一世界难题的条件和能力。 　　他们也在探索国际一流科研机构的体制机制。除了探索多个研究组团队攻关的体制机制外，还发挥学术委员会的治所作用，汇聚各种资源，加大对科学家的稳定支持力度。&ldquo 要使得科学家能有更多时间在科研第一线，而不是奔走于四处竞争经费的路上。&rdquo 　　研究团队的下一步计划是什么? 　　&ldquo 二级结构的基本框架已确立，已经可以解释很多原来不清楚的问题。下一步，我们将研究二级结构中染色质的很多变化，比如各种变体、修饰如何调控染色质结构 染色体中的中心粒、端粒这些特殊部位的染色质结构是怎么样的 现在观测的是细胞体外染色质样品，下一步还要看体内到底怎么回事 还可以进一步研究染色质的三级结构和四级结构。&rdquo 朱平说。 　　染色质中包含着巨大的信息量，对生命密码的探寻，将加深我们对生命本质的理解，从知其然走向知其所以然。

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真空泵,动物麻醉机,离心机,酶标仪,切片机,冷冻干燥机,蠕动泵,荧光显微镜,PCR,样品前处理 开标时间： 2022-01-18 08:30 采购金额： 122.96万元 采购单位： 莆田学院 采购联系人： 刘老师 采购联系方式： 立即查看招标代理机构： 福建安华发展有限公司 代理联系人： 小杨 代理联系方式： 立即查看 详细信息 莆田学院药学与医学技术学院教学设备采购项目采购公告 福建省-莆田市-城厢区 状态：公告 更新时间： 2022-01-05 招标文件: 附件1 莆田学院药学与医学技术学院教学设备采购项目采购公告 2022-01-05 16:15 莆田学院药学与医学技术学院教学设备采购项目竞争性磋商公告 项目概况 受莆田学院委托，福建安华发展有限公司对[350300]AHG[CS]2021001、莆田学院药学与医学技术学院教学设备采购项目组织竞争性磋商，现欢迎国内合格的供应商前来参加。 莆田学院药学与医学技术学院教学设备采购项目的潜在供应商应在福建省政府采购网(zfcg.czt.fujian.gov.cn)免费申请账号在福建省政府采购网上公开信息系统按项目获取采购文件，并于2022-01-18 08:30（北京时间）前提交响应文件。一、项目基本情况 项目编号：[350300]AHG[CS]2021001 项目名称：莆田学院药学与医学技术学院教学设备采购项目 采购方式：竞争性磋商 预算金额：1229620元 包1： 合同包预算金额：1229620元 磋商保证金：12296元 采购需求：（包括但不限于标的的名称、数量、简要技术需求或服务要求等） 品目号 品目编码及品目名称 采购标的 数量（单位） 允许进口 简要需求或要求 品目预算（元） 1-1 A033412-教学专用仪器 在体多通道电生理记录分析系统 1（台） 否 1. 用于记录大小鼠和非人灵长类的脑电/肌电/局部场电位和单位放电等神经电生理信号的记录。 ★2. 系统记录通道总数通道为不少于32通道。提供1个不小于32通道，重量小于1g，可以用于自由活动的大小鼠脑电记录，微型放大器集成加速度传感器，信号线缆长度不小于2米，可以延长至10米。 3. 系统供电方式：220V交流供电以及电池供电两种供电方式，用户可选。 4. 提供不少于16位数字输入端口，可与第三方设备进行同步，提供不少于4个辅助模拟输入。 5. 支持实时手动输入添加事件标记功能，以便在特定的时间段记录被关注的神经元活动情况； 6. 数据采样率：每通道最高可达30kHz，采样精度≥16bit，分辨率0.25uV 7. 采集系统最大输入电压±10V。 ▲8. 主机配有USB和光纤数据接口，支持USB和光纤数据传输。 9. 采集软件提供多种在线神经元甄别算法，可以准确有效的对spike数据进行分析，每通道能够甄别的神经元无数量限制。 10. 支持不同的研究内容采用不同的采集模式，包括单电极、双电极、四电极混合采集模式； 11. 记录文件格式可以直接导入办公制图软件。 12. 数据采集软件可以在线采集和分析多种电生理信号，提供终生免费升级服务。 13. 配备1个调试用不少于32独立通道神经信号模拟器。 ★14. 提供一个光电一体换向系统，用于自由活动的动物进行电生理记录和光遗传刺激时防止线缆缠绕，不少于32通道神经信号和1通道光信号可以通过单根线缆以及换向器进行传输。 15. 配备高性能工作站。 232000 1-2 A033412-教学专用仪器 冷冻干燥机 1（台） 否 1.控制方式：PLC+触摸屏 2.样品盘：≥ 180*3 3.冷阱尺寸：≥ 220*250 4.冻干面积：≥0.08 m2 外加8支茄形瓶。 5.冷阱温度（空载）：-110℃ 6.真空度（空载）：＜3Pa 7.捕水能力：≥3L 8.冻干效率：≥2L/24H 9.压缩机功率：≥1HP 10.真空泵：≥2L/S 11.功率1-1300W 12.整机尺寸：≥W640*D640*H1000 13.采用深低温冷阱捕集可挥发性有机溶剂，防止有机溶剂对冻干机的腐蚀。对制品含有大量高浓度有机溶剂冻干有效，可处理95%以下浓度有机物溶剂溶液 14.干燥仓一体成型。无粘接、高强度，无泄漏 15.样品温度监视，可实时显示样品温度 16.冻干曲线绘制功能，可查看、存储冻干曲线 17.冻干数据显示存储功能，支持U盘数据导出功能 18.自动除霜功能 19充气阀，可充氮气或者惰性气体进行干燥后的保存。 20.适用于装载散装、瓶装、外挂瓶装物料 83000 1-3 A033412-教学专用仪器 内排气压力锅 1（台） 否 主要参数： 1、转盘式快开盖结构 2、智能化自动控制灭菌循环程序 3、安全联锁互动装置 4、断水保护功能 5、LCD液晶显示运行状态 6、灭菌时间设定范围（0-99小时） 7、额定工作压力≤0.217Mpa 8、灭菌温度设定范围（50℃-134℃） 9、双刻度二类读数压力表 10、自胀式密封 11、内排汽装置（灭菌过程无蒸汽外排现象） 12、一键制操作方式 13、灭菌结束自动报警 技术参数： 1、配置：蒸汽内排 2、容积：≥80L 3、材质/锅体壁厚：全不锈钢≥2.0mm 4、灭菌室尺寸：≥Φ370×750mm 5、包装尺寸：≤660×800×1250mm 6、加配一套原厂减压阀、压力表 19000 1-4 A033412-教学专用仪器 电泳仪电源 1（台） 否 1、微电脑智能控制，操作界面更加方便，快捷 2、工作状态中，可以实时微调 3、大屏幕LCD，同时显示电压，电流，功率和定时时间 4、具有存储记忆功能（不少于10 组3 步程序） 5、参数可以连续设定 6、可单步或分步工作 7、具有来电恢复功能 8、精致轻巧的外观和造型 9、具有安全保护及报警功能 10、具有小电流维持功能,外型尺寸（W×D×H）： ≤246×360×80mm,输出范围（显示分辨率）6~600V(1V)，4~600mA(1mA)，1~300W（1W） 4270 1-5 A033412-教学专用仪器 微射流均质机 1（台） 否 1.设备采用高压微射流纳米均质技术，核心件为微射流金刚石交互容腔，交互容腔需带有冷却夹套，可配合冷却介质进行均质点辅助控温。 2.设备无活动部件，流体经过的高压部分全为不绣钢连接，无易损件。产品接触材质为316L不锈钢，超高聚乙烯等卫生级材料。 3.最高均质压力可调至 30000psi。 4.流量不小于100ml/min。 5.样品最小单次处理量不大于5ml，常规实验操作残留量不大于1ml 6.设备需简单易用、触屏操作，支持均质单次体积和次数等自定义设置调节。 7.设备带自动过载保护，带急停开关。 8.设备配有物料热交换器，可根据要求降低物料温度。 9.设备使用220V 电源，常规实验室方便运行，无须使用高压液压油或压缩空气就可使用。 10.设备核心部件需提供Y型与Z型两种不同类型微射流金刚石交互容腔以备用于不同材料需求。 12.设备验收需严格按照需求参数验收，如有参数不符予以退回。 274000 1-6 A033412-教学专用仪器 溶出仪 4（台） 否 技术指标： 1 搅拌桨摆动幅度：≤0.5mm 2 转篮摆动幅度：≤1.0mm 3 转杆与溶出杯轴偏差：≤2mm 4 调速范围：25～200转/分 5 转速分辨率：≤1转/分 6 稳速误差：≤±4 % 7 调温范围：5.0（室温）- 45.0℃ 8 温度分辨率：≤0.1℃ 9 控温误差：≤±0.3℃ 10 计时累计时间：≥99小时59分钟，正计时 11 取样周期个数：≥9个不同的取样周期 12 取样周期时间：≥9小时59分钟/每周期，倒计时 13 定时开/关机时间：≥99小时59分钟，倒计时 14 工作环境条件:温度5-37℃，相对湿度≤80% 15 ≥ 8杯 100800 1-7 A033412-教学专用仪器 动物饲养层流架 1（台） 否 1. 不锈钢大鼠负压层流架 2. 符合DB32/T970-2006《实验动物笼器具 层流架》 3. 换气次数：10～20次/h 4. 气流速度：0.1～0.2 m/s 5. 照 明 灯：≤20W*1支 6. 洁 净 度：≤10000 级 7. 杀 菌 灯：≤20W*1支 8. 落下菌数：≤3个/皿 9. 最大功耗：≤400W 10. 噪 音：≤60 dB 11. 规 格：≤1400×700×1940mm 12. 两个大鼠笼，六个小鼠笼 24000 1-8 A033412-教学专用仪器 掌上离心机 1（台） 否 1. 全模具化超强注塑成型，配备多种离心转子，适用于1 5ml、0.5ml、0.2ml离心管和PCR用0.2ml 2. 8排离心管，人性化的开关（按上上盖即转，打开盖子即停）全透明拱型上盖，多转子配备。 3. 功率：≤30W 4. 转速：≥12000转／分 5. 离心量：2mlx8；1.5mlx8；0.5ml×8；0.2mlx8；0.2ml×16 6. 外形尺寸：≤165x152x115mm 1300 1-9 A033412-教学专用仪器 微孔板迷你离心 1（台） 否 1. 容量：2片96孔PCR板 2. 转速：≥2500rpm 3. 离心力：≥500g 4. 转子：垂直固定 5. 外形尺寸：≤210×190×190mm 1900 1-10 A033412-教学专用仪器 PH计 1（台） 否 1. 大尺寸结构良好的显示屏、直观的按钮布局以及简单的菜单，只需点击几下即可完成测量。 2. 可将传感器支架取下并存放在仪表侧面，工作台只需要很小空间。 3. 仪表可通过RS232或USB接口将数据直接导出至打印机，或导出至计算机以便进一步处理。 4. 参数：pH ORP 5. 通道：单通道 6. pH 测量范围：-2 ~ 16 7. pH 分辨率：≥0.01 0.1 8. pH 准确度 ：(±)0.01 9. 温度范围：-5 ℃– 105℃ 10. 温度分辨率：≤0.1℃ 11. 温度准确度：(±)0.3℃ 12. 存储容量 (2)：≥200测量值 4800 1-11 A033412-教学专用仪器 梯度PCR仪 1（台） 否 1、样本容量：≥96； 2、耗材适用性：0.2ml单管、八联管、96孔板均可； 3、模块温度范围：4.0~99.9℃ 4、最大升降温速度：≥5.3℃/s； 5、温度准确度：≤±0.1℃； 6、温度均匀性：≤±0.2℃； 7、温度梯度：一次可实现12个梯度温度，最大温度宽度≥35℃； 8、热盖：自压式热盖，无需手动螺旋调节热盖高度即可适用于各种不同规格的耗材； 9、操作/显示界面：配备≥6.8寸真彩色液晶触摸屏，无需任何实体按键即可完成整个实验操作； 10、系统程序：默认语言为中文简体，图形化扩增程序编程界面，并预存了多种类型的实验模板，便于使用者快速学习和使用； 11、程序存储：仪器可存储不少于1000条的扩增程序，并支持U盘无限扩展； 12、程序管理：用户可建立个人文件夹，将自己的程序放入其中，便于后期的程序管理工作； 13、断电保护：具有断电再通电时自动恢复实验功能； 14、智能热盖：模块温度≤30℃时，热盖加热功能自动关闭； 15、风道：仪器左右侧壁无任何散热口，采用人性化的“前进风后出风”式风道，多台仪器可紧密排放，节省实验室空间； 25000 1-12 A033412-教学专用仪器 低温冷冻切片机 1（台） 否 功能特点： 1、标本回缩功能，防止样本刮伤，保证切片完整性 2、快速修片功能按钮，可在操作中方便切换修片与切片模式 3、配有计数器功能，可显示切片总数量和切片总厚度 4、低温制冷系统采用强制式制冷结构，双压缩机为冷冻箱、冷台、刀架及样本头分别制冷，增强制冷功能、提高制冷速度、制冷剂选用环保型无氟制冷剂 5、快速制冷模式通电开机20分钟内可达到操作温度 6、采用UV紫外线方式消毒，每次35分钟。照明采用低压直流无影LED照明系统 7、半导体制冷功能可开启和关闭 8、单层无线可加热拆卸式玻璃门，不锈钢内置箱体，配置废片回收盒，方便操作和清洁 9、除霜有定时除霜和手动除霜两种，除霜时，UV紫外线消毒灯自动点亮，完成消毒 10、人性化休眠功能：在选择休眠状态后，冷冻室温度自动控制在-1至-9℃之间，取消休眠后， 可以在≤15分钟内达到切片温度 11、锁鍵盘功能可防止错误操作 12、手轮锁紧功能，360°任意定位点 13、切片机机组位于冷冻箱外，避免了热胀冷缩对机组的影响，最大限度地减少维护和保养 14、液晶屏分别显示切片总数量和切片总厚度、切片厚度、标本回缩值、温度控制及日期、时间、温度、定时开关机等 15、刀架基体可横向、纵向调节，适用各刀片 16、刀片刀架配有红色护杆覆盖刀片全长，安全保护使用者，推刀杆方便更换刀片 ▲17、宽大冷台，可同时准备26个标本，半导体制冷孔位2个 18、选配有双重绝缘12V干温二用吸尘器，快速吸去废片，保持箱体清洁 19、X轴360°，Y轴12°旋转组织样本夹头 20、温度传感器自检功能，可自动检测传感器故障状态 技术参数： ★1、切片厚度：1μm～100μm可调；1μm～20μm增量值1μm；20μm～40μm增量值2μm；40μm～100μm增量值5μm； 2、修片厚度：5μm～500μm可调；5μm～50μm 增量值5μm；50μm～100μm，增量值10μm； 100μm～400μm可调，增量值50μm； 3、标本回缩值：0～90μm可调；0～60μm 增量值5μm；60μm～90μm，增量值10μm； ▲4、冷冻箱控温范围：-10℃～-35℃ 5、卡头控温范围：-10℃～-40℃ 6、冷冻台温度降至-45℃时间：60分钟 7、冷冻台温度最低可达：-45℃ 8、冷冻台附加半导体制冷温度可达：-65℃ 9、半导体工作时间：≥15分钟 ▲10、最大样本尺寸：≥55mm×60mm 11、标本垂直运动行程：≥60mm 12、标本水平运动行程：≥20mm 13、电动粗进速度2档：（0.7mm/s 0.35mm/s） 140000 1-13 A033412-教学专用仪器 离心机 1（台） 否 产品特点： 1、大半径多孔位组合转子，一次可放置2.0ml，1.5ml，0.5ml，0.2ml离心管或PCR用0.2ml--8联排离心管；同转数下离心力比普通转子提高1.7倍。 2、上盖开关外凸加橡胶软垫，既按下开关上盖自动弹开≥95度，方便单手操作，又能很好保护外凸开关不容易断，延长开关的使用寿命。 3、配置LED显示屏，显示转速和设定时间，更加科学严谨。 4、超低噪声，运行平稳，采用免维护电机经久耐用，安全可靠。 5、电机固定于底部，更换转子时不易被拉出。 技术参数： 1、转速：3K-10K转/分 2、相对离心力：500g-约5300g 3、样品处理量：8x2.0ml/1.5ml/0.5ml/0.2ml离心管 4、定时范围：1s—999min或连续 5、工作噪声：≤55 dB 1500 1-14 A033412-教学专用仪器 烘箱 1（台） 否 1. 容积:≥105L 2. 方式:水平强迫对流 3. 电源电压:AC220V,50Hz 4. 控温范围:室温 +10℃ ～ 200℃ 5. 温度精确度:± 1℃ at 100℃ 6. 温度波动度:≤± 1℃ 7. 温度均匀度: ≤± 2℃ at 100℃ 8. 温度控制器:PID 微处理器控制，触摸式，数字显示 9. 温度传感器:铂电阻 PT100 10. 时间:定时开、关（最长 99 小时，最短 1 分钟） 11. 材料内部:304 不锈钢 12. 尺寸 (mm)内部:≥550*350*550 13. 消耗功率:≤1240W 14. 搁板尺寸（mm）:≥496*340 15. 架子（提供/最多）: ≥2/12 4300 1-15 A033412-教学专用仪器 蠕动泵 1（台） 否 主要参数： 转速范围：60rpm-600rpm 正反转可逆； 控制方式：旋钮结合按钮，支持外部信号控制； 外控功能: 启停控制、方向控制、速度控制(4-20mA、1-10V、1kHz-10kHz可选)； 掉电记忆：重新上电后可按照掉电前的状态继续进行工作 全速功能：一键控制全速工作，用于填充、排空等； 防护等级：IP5412000 1-16 A033412-教学专用仪器 动物麻醉机回收系统 1（台） 否 1、专业小动物专用麻醉机，适合10KG 以内的动物，适合啮齿类，大小鼠等小动物 2、由专业动物麻醉机厂家生产，产品质量优秀，性能稳定，ISO9001质量认证及CE认证 3、采用单呼吸管路，无再循环呼吸系统，减少死腔 4、精确的玻璃管氧气流量计，调节范围0-4000毫升/分钟，步机调节为0.1毫升，精确可调，适合小动物低流量麻醉。 5、有数字放大功能，观察更清晰方便(可选择0-1800毫升，0-5000毫升流量计) 6、整体外形采用磨具一体成型，整体重量为≤3.5kg,便携方便。 7、选择原厂生产的系列异氟醚麻醉挥发罐，输出稳定，密闭性好，安全可靠。输出浓度0-5%可调。可以实现麻醉罐校准服务，提供校准方案 8、结构紧凑，美观大方 内置式旋钮，操作方便 9、配备小动物麻醉诱导盒，可以清晰观察麻醉动物的麻醉深度 10、专业各种规格的面罩：能满足大小不同动物的需求，另有多个大小鼠专用面罩(特制)，可以根据动物大小自行裁剪面罩大小.提供不少于4个面罩，可选择多元化组件： 最多可同时麻醉不少于4只鼠，满足客户特殊需求。能分别控制每一路开关，满足多人同时独立操作，互不干扰。废气吸收装置：将开放式麻醉产生的部分废气吸收，确保实验环境的整洁。 11、流量大，浓度高，分筛，氧气浓度高，流量设置为1L时，浓度可达93%，充分满足小动物麻醉过程的氧含量 12、不小于5寸超大触屏，看的更清晰，使用方便，档次更高，更有利于动物实验 13、超静音，减小噪音，正面噪音≤43db(A) 14、48H超长定时，定时键在10分钟-48小时范围内自行设定，到所设定时间后氧源自动关闭，更有利于观察动物实验，更安全 15、智能监控自动报警提醒，定时智能监控故障报警，远程蓝牙操作功能，并提示故障原因。 ★16麻醉罐流量范围：0～10L/分钟，氧气流量：0～4L/分钟，麻醉药浓度范围：0～5%，采用经典TECH3麻醉罐技术，最小麻醉挥发浓度调节为0.15%，自带温度，压力，流量补偿功能，麻醉药存量：200ml 17.负压抽气：吸气泵气流量大，大小可调，1-100l/h，可以实现不小于5个不同麻醉通道的废气回收，气流量实时显示单位为sccm，废气回收容器内气压实时显示单位为kpa.具有低压报警功能，气流量曲线图实时显示。 18.高效低噪：不小于5寸触摸屏自带锁屏功能，废气吸收效果好；相较于其他同类回收器，噪音更低，体积更小，尺寸≤20*15*30cm 19.称重功能：可以随时称量和显示气体过滤罐的重量，选用优质吸附材质，有效保证废气的吸附饱和值。 20.报警功能：具有一级（重量实时可调）指示灯闪烁、二级（重量实时可调）超重报警（指示灯和蜂鸣器同时），具有称量校准和气体校准功能。 ▲组织活性窗口，材料：全硅胶，带不锈钢针罩重量：≦1 克 体积：100ul；尺寸：0.28cm X 0.7cm隔膜开口：角度≧180 度 52000 1-17 A033412-教学专用仪器 电转仪 1（台） 否 1. 凝胶尺寸：≥21 x 26 cm 2. 独特穿孔的铂-铌和不锈钢屏幕电极 3. 转移时间：小于一小时 4. 采用穿孔的屏幕电极在转移时能让气泡散发，不会造成转移障碍。 5. 一次可转移尺寸为≥21x26cm的三块凝胶 6. 缓冲液量非常少，仅需浸透滤纸和膜 7. 可搭配原有设备使用 21000 1-18 A033412-教学专用仪器 正置荧光显微镜 1（台） 否 1. 研究级正置荧光显微镜，可作明场、荧光的观察，可扩展升级相差、暗场观察方式； 2. 光学系统：无限远校正光学系统，齐焦距离必须为国家标准45mm； 3. 调焦：载物台垂直运动方式距离不小于25mm，带聚焦粗调上限停止位置，粗调旋钮扭矩可调，最}) 基本信息 关键内容：真空泵,动物麻醉机,离心机,酶标仪,切片机,冷冻干燥机,蠕动泵,荧光显微镜,PCR,样品前处理 开标时间：2022-01-18 08:30 预算金额：122.96万元 采购单位：莆田学院 采购联系人：点击查看 采购联系方式：点击查看 招标代理机构：福建安华发展有限公司 代理联系人：点击查看 代理联系方式：点击查看 详细信息 莆田学院药学与医学技术学院教学设备采购项目采购公告 福建省-莆田市-

我国海洋领域首个冷冻电镜中心建成，目前已全面对外开放共享，为用户提供样品制备、数据解析等服务。冷冻电镜也称低温电子显微镜，是一种能够对生物样品实现高分辨三维结构解析的高精尖设备。“如果说天文望远镜观测的是极宏观的天体，那么冷冻电镜则是针对极微观的生物大分子，观测水平达到十分之一纳米（百亿分之一米）级别。” 海洋试点国家实验室冷冻电镜中心主任沈庆涛教授说，冷冻电镜技术目前还非常新颖，但已经在生物学领域产生了极大影响，被诺贝尔奖官方称为“使得生物化学进入一个新时代”的技术。自2013年开始，冷冻电镜成为诸多诺奖级论文成果的得力助手。海洋试点国家实验室建设的冷冻电镜中心，是山东省首个冷冻电镜中心，也是我国乃至全球首个聚焦海洋生命科学的冷冻电镜中心。“生命来源于海洋，但目前国内外对陆地生物的研究比海洋生物更全面更系统，冷冻电镜的工作也多集中在陆地模式生物上。” 沈庆涛介绍，针对生命科学回归海洋的趋势，充分发挥海洋试点国家实验室的“向海”特长，他们建立了海洋领域首个冷冻电镜中心，以海洋生物为研究目标，推动海洋生物学从宏观走向微观，从生态、细胞水平走向分子水平。为了保证冷冻电镜的高分辨率解析能力，海洋试点国家实验室同时配备了冷冻电镜中心环境适配系统。“冷冻电镜设施昂贵精密，对于每个样品通常需要花费2-3天拍摄成千上万张照片，提取近百万生物大分子颗粒进行后续的图像处理。” 沈庆涛表示，在此过程中，环境适配系统能够对温度、湿度、磁场、震动等因素进行控制并适配，从而保证冷冻电镜自始至终状态稳定。

我们知道冷冻机组是恒温恒湿试验箱的心脏，重中之重，确保冷冻机组的良好运行，才能顺利的降温并达到预设的低温，在前文恒温恒湿试验箱价格揭密中也有强调冷冻机组的重要性，恒温恒湿箱的品质保障离不开的冷冻机组。那么，是什么原因导致恒温恒湿试验箱的冷冻机组无法运转呢？宏展科技工程师根据多年的检修工作经验给带您一一分析检查。1、先检查插头与插座之间有没有接触不良，如果有的话应该接上；2、检查插座保险丝有没有烧坏了；3、拿电压仪表测量电压是不是过低而导致电压供电不足；4、检查温度调整器的指示钮是否转；5、检查过载继电器是否烧坏；6、检查马达是否被烧坏；

生活中的科学应用草莓的冷冻干燥冻干应用”冷冻干燥是水果可以长期保存食用的一种常用方法，目的是保持水果原有的口感及外观。在本文中，我们利用自主研发的 LyovaproTM 系列冷冻干燥机 L-200 开发了一种优化处理草莓干燥时间和剩余水分含量的方法。当然，该方法适用于 LyovaproTM 系列所有机器，包括但不限于 L-200、L-250 以及 L-300。1简介水果和蔬菜在人类的饮食和营养中起着重要的作用。它们是膳食营养素、维生素和矿物质的重要来源，并可以为人体提供粗质纤维。它们为单调的食物提供了颜色、风味和口感多样性。由于水分含量高(80% 以上)，它们具有很容易受到破坏。在热带和亚热带地区的许多发展中国家，由于缺乏足够的冷藏和冷冻设施，造成了 40 - 50% 的经济损失。食品加工的主要目的是将这些可持续成分转化为静态储存的材料，可以长时间储存，从而减少损失，并在食物短缺时可加以利用。在工业上，水果和蔬菜的保鲜已经采用了几种工艺技术，其中最重要的就是脱水处理。脱水技术是人类实践的最古老的粮食保障方法。去除水分能够阻止导致分解的微生物的进一步生长，同时减少许多水分介导的降解反应。在储存和运输上提供了大幅减少重量和尺寸的优势，并使产品能够在环境温度下储存。市场上有不同类型的脱水技术。然而，与其他脱水技术相比，冷冻干燥工艺在形态、外观、质地、味道和香气方面提供了更高质量的样品。冷冻干燥过程是一种升华过程，其中固体颗粒将直接转化为蒸汽形式而不进入液相状态。在冷冻干燥中，可将水蒸气除去，而不会扰乱产品的内部结构。预冻、初级干燥和次级干燥是冷冻干燥过程中的重要步骤。样品需要冷冻在其共晶或玻璃化转化温度以下以保持其固体结构。预冻后，进行抽真空处理，真空压力要低于样品的临界压力，然后进行初级干燥，该过程需进行加热。在这一阶段，大多数水蒸气将被除去。在次级干燥中，剩余的结合水分将通过蒸发而除去。2实验设备步琦冷冻干燥机Lyovapor&trade L-200 Pro.步琦冷冻干燥软件 Lyovapor&trade Software.真空泵 Pfeiffer Duo 6.可加热层板不锈钢托盘海尔低温冰箱 -40 °C.梅特勒分析天平梅特勒卡尔费休水分仪 3实验材料新鲜草莓，于当地市场采购4实验步骤4.1 样品制备草莓被切成两片，草莓片放在不锈钢托盘上。为了监测草莓样品的温度，温度传感器被放置在一片草莓的内部。装有样品的托盘和层板在 -25°C 的设定温度下冷冻过夜。4.2 冻干机 LyovaporTM L-200 的设置深度冷冻 12 小时后，草莓切片完全冷冻，冷冻后的样品托盘在常温下转移到带有 PMMA 干燥室的 L-200 冻干机中。实验方法的设计考虑了样品的共晶温度 -2℃、临界压力 0.3mbar、临界温度 50℃ 等关键参数。冷冻干燥过程是从装样步骤开始，需要设置层板温度，例如 -25°C，这是因为样品是在 -25℃ 的冰箱中进行预冻。在初级干燥阶段，层板温度保持在 -10℃。为了便于有效升华，层板温度逐渐升高到 20℃。压力最初维持在 0.400mbar，再降至 0.3mbar，从而保持在临界压力以下。在次级干燥阶段，温度最高保持在 45°C，压力设置到最小值，以去除样品中的结合水分。这一阶段的目标是保证样品中水分含量尽可能低，确保样品的长期稳定性和保存性。图1 显示了详细信息。▲ 图1：在Lyovapor&trade 软件上设置的初级和次级干燥步骤参数5实验结果和讨论5.1运行数据图图2 中的图表清晰地区分了初级干燥和次级干燥两个阶段。冷冻干燥约 15 小时后，样品温度接近层板温度，表明样品中的大部分水分已通过升华除去。这是因为层板提供给样品的能量不再被升华所消耗。因此，样品温度与 17 小时程序初级干燥结束时的层板温度相同。在 图2 所示的次级干燥阶段，通过将温度最高保持在45℃，同时压力设置为最低。由于通过解吸去除的水量要比初级干燥经历 15 个小时阶段的量少，所以样品温度会快速跟随层板的设定温度和实际温度而变化。▲ 图2：Lyovapor&trade 软件绘制的初级和次级干燥步骤的运行数据5.2 产品外观▲ 图3：冻干前(左)和冻干后(右)草莓果实在冷冻干燥前后，草莓的外观确实略有变化。样品初始总重量为 1606g。干燥后，总重量急剧减少到 132g。这一结果与引言部分提出的 80% 的含水率是一致的。5.3 残留水分含量卡尔费休（KF）滴定因其实用的优点而广受欢迎，例如准确性、测量速度和适配性。测量干燥后的质量损失即可检测到损失任何挥发性物质的。KF 测量方法具有很高的准确度和精密性，通常精确度在可测水含量值的 1% 以内，例如 3.00% 的水分含量值则显示为 2.97 - 3.03%。因此，使用已校准的 1% 水标准进行单点校准就已足够，无需校准曲线。发生的化学反应公式如下：公式1：ROH + SO2 + Rn → (Rn H+) SO3R-公式2：H2O + I2 + (RnH)SO3R + 2Rn → (RnH)SO4R + 2(RnH)I*(Rn = 胺和ROH = 甲醇)冻干草莓的水分含量通过卡尔费休滴定法分析，如下图所示。表1：冻干草莓的卡尔费休滴定结果。参数结果实际草莓重量（不含水）128.2g水分含量3.74%总除水量96%6实验结果和结论在冻干机 L – 200 Pro 上成功进行草莓的冷冻干燥。在 26 小时的干燥过程中，草莓的外观、质地和颜色没有发生改变，最终样品的水分含量https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350417716304473?via%3DihubRatti, C (2001). "Hot air and freeze drying of high-value foods: a review". Journal of Food Engineering. 49:311 – 319.Shishehgarha, F Makhlouf, J Ratti, C (Jan 2002). "Freeze drying characteristics of strawberries". Drying Technology. 20 (1): 131 – 145.Pol. J. Food Nutr. Sci., 2011, Vol. 61, No. 3, pp. 165 – 171, https://www.researchgate.net/publication/244603084Dehydration of fruits and vegetables – recent developments in principles and techniques, http://dx.doi.org/10.1080/07373939208916413Strawberries hybrid drying combining airflow, dic technology and intermittent microwaves, http://dx.doi.org/10.4995/ids2018.2018.7556Effect of vacuum microwave drying on the quality and storage stability of strawberries, Journal of Food Processing and Preservation ISSN 1745-4549https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S026087749700023XKARL FISCHER METHOD determination of water – TEST METHOD, https://law.resource.org/pub/in/bis/S02/is.2362.1993.pdf

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。

生物大分子的三维结构可以直观地揭示其生物学功能、细胞内进程以及探索其在疾病中发挥作用的方式。冷冻电镜（cryo-electron microscopy,cryo-EM）单颗粒分析技术通过对生物大分子的直接成像进行高分辨率结构测定，已成为结构生物学的重要研究手段。冷冻电镜单颗粒分析技术需要对生物大分子溶液的冷冻样品采集大量电子显微数据，以进行三维结构解析，因此高质量的冷冻样品制备在其中起着至关重要的作用。良好的制样方法需要能够简便地、可控地制备出接近理想状态的生物大分子冷冻样品。诺贝尔化学奖获得者雅克杜博切特（Jacques Dubochet）等人于1984年发明了冷冻样品制备的滤纸夹置法（Pipet-blot-plunge），至今仍然是冷冻电镜样品制备的主要手段。在这种传统的制样方法中，研究人员难以精确控制样品冰层厚度和大分子颗粒分布，导致冷冻样品的均一性和可重复性较差。越来越多的证据表明，在样品被冷冻之前的瞬间，生物大分子会吸附在超薄的液体层的气液界面（Air-water interface, AWI）上，导致生物大分子的颗粒结构损伤、变性或产生优势取向，减低了高分辨率冷冻电镜结构分析的效率和成功性。如何获取可重复的高质量的生物大分子冷冻样品仍然是冷冻电镜技术应用中的一个难题。图1. ESI-cryoPrep方法设计和仪器装置示意图4月25日，清华大学生命科学学院王宏伟课题组和精密仪器系欧阳证、周晓煜课题组在《自然方法学》（Nature Methods）在线发表了题为“电喷雾辅助的冷冻电镜样品制备方法用以减轻界面吸附效应”（Electrospray-assisted cryo-EM sample preparation to mitigate interfacial effects）的研究论文。研究采用非变性质谱（Native mass spectrometry, native MS）中广泛使用的电喷雾电离（Electrospray ionization, ESI）技术，设计并搭建了一种新型冷冻样品制备装置ESI-cryoPrep（图1），成功实现了无需滤纸夹吸的冷冻样品制备，并获得了多种生物大分子近原子分辨率的三维结构。研究表明，ESI-cryoPrep可以有效地将生物大分子颗粒完整嵌入无定形态薄层冰中，避免其吸附在空气-水、固体-水界面上，并对该装置制备生物大分子冷冻样品过程中的界面模型进行了机理阐释。ESI-cryoPrep以“软”电离技术ESI为基础，通过向蛋白溶液施加高电压形成大量带电的蛋白液滴，可以有效地减少蛋白的变性与碎裂。在电场的驱动下，带电液滴飞向电镜载网的过程中伴随着去溶剂化的进行；液滴表面的电荷密度激增至瑞利极限导致库仑裂变形成带电的次级液滴；这一过程循环往复直至液滴最终沉积在电镜载网上；收集到带电液滴的电镜载网被插入液氮冷却的液态乙烷中即可实现对液滴的快速冷冻。该过程完全省却了滤纸的夹吸，避免了滤纸材料对液体和生物大分子的影响。因为液滴表面的小分子离子形成了双电层效应，生物大分子与液体的界面被隔绝开，从而避免了生物大分子吸附到气液或固液界面上，更好地保持了生物大分子的天然结构。该研究首次对ESI液滴中的生物大分子的天然结构（Native structures）进行了直接测定，指导获得ESI的“软着陆”电离参数进行冷冻制样与非变性质谱分析。该工作是冷冻电镜与质谱技术的交叉融合，共同致力于解答生物大分子结构解析与分析的科学问题。研究团队在搭建的设备上，经过多次摸索确定了制备高质量冷冻样品的相关参数。这些参数既能满足保存高比例完整结构生物大分子颗粒的需求，又能促进带电液滴在附着电镜载网表面的扩展和浸润。研究团队运用优化的ESI-cryoPrep装置制备了五种生物大分子的高质量冷冻样品，获得了与目标生物大分子尺寸相对应的理想冰层厚度，并实现了全部测试样品70Sribosome、20Sproteasome、apo-ferritin、ACE2和streptavidin的高分辨率三维结构解析，分辨率分别为2.7[gf]c5[/gf]、2.0[gf]c5[/gf]、2.1[gf]c5[/gf]、3.3[gf]c5[/gf]和1.9[gf]c5[/gf]。研究团队对冷冻电镜数据进行了深入的挖掘与分析，发现与预期假设一致的结果。ESI-cryoPrep可以有效地将生物大分子颗粒完整嵌入无定形态冰的薄层中间，抑制目标生物大分子在空气-水或石墨烯-水界面的吸附（图2），从而避免蛋白质颗粒的结构损伤或者优势取向问题。研究工作提出了电荷残留模型，阐明了电喷雾电离产生的液滴表面的电荷不均匀分布保护蛋白质颗粒免于界面吸附的作用和机制。这种学科交叉的研究成果不仅将为冷冻电镜样品制备提供应用价值，还将对冷冻电镜技术和非变性质谱领域的交叉和发展产生积极影响，为更多创新应用开辟新的可能性。自主研发的高质量冷冻电镜样品制备装置，一方面可以缩短结构解析的漫长探索过程，更高效地获得高分辨三维结构，分析其作用机理；另一方面也提升了原创研发具有自主知识产权和高精尖技术的能力，减少对国外相关仪器和设备的依赖。图2.ESI-cryoPrep方法制备的冷冻样品中蛋白质颗粒在断层成像中的代表性空间分布清华大学生命科学学院2017级博士生杨梓和精密仪器系2018级博士生范菁津（已毕业）为该论文共同第一作者，清华大学生命科学学院教授王宏伟，精密仪器系教授欧阳证和副教授周晓煜为论文共同通讯作者。清华大学生命科学学院王家副研究员和范潇博士等为课题的启动和推进作出重要贡献。研究得到国家自然科学基金、腾讯基金会等的资助，并得到清华大学冷冻电镜中心和计算中心的技术支持。

冷冻电镜已成为解析生物大分子结构的最主要技术之一。在冷冻电镜密度图的质量评估中，一个关键的指标是分辨率，即可以通过一致性测试的最精细结构细节的大小。由于样品异质性和辐射损伤等因素的影响，冷冻电镜密度图在不同区域的分辨率是可以不同的；因此，研究者因此引入了局部分辨率的概念。快速、准确、有效地评估冷冻电镜密度图的局部分辨率可以为三维重构和下游结构分析提供指导。目前可用的局部分辨率估计方法存在一些限制，比如需要人工进行参数调整、耗时较长，以及在某些情况下需要以半折密度图 （half map） 作为输入，无法对单个密度图估计局部分辨率等 。 近日，清华大学生命科学学院/北京生物结构前沿研究中心张强锋课题组在Journal of Molecular Biology期刊发表题为： CryoRes: Local Resolution Estimation of Cryo-EM Density Maps by Deep Learning 的研究论文。在该研究中，他们开发了一个基于深度学习框架的人工智能算法——CryoRes，可以直接从单个冷冻电镜密度图中估计出局部分辨率。 CryoRes建立在残差3D U-Net的架构之上，可以在端到端的预测框架下执行精确的局部分辨率估计。通过在1174个实验获得的冷冻电镜密度图数据上进行监督式训练，CryoRes学习到了密度图体像素特征与分辨率之间的关系，从而实现了无需额外输入直接进行局部分辨率的估计。 相对于目前广为使用的基于FSC的方法blocres，CryoRes局部分辨率估计的平均均方根误差为2.26Å，显著优于当前最先进的分辨率估计方法。此外，CryoRes还能够为每个密度图生成大分子表面，其精度比ResMap估计的大分子表面的准确率高12.12%。此外，相较于其他方法，CryoRes克服了一些限制，例如需要输入half map或大分子表面的信息，实现了全自动、无参数、超快速的局部分辨率估计。 另外，CryoRes也适用于冷冻电子断层图数据的局部分辨率估计。CryoRes可在https://cryores.zhanglab.net 上免费使用。图：CryoRes框架 清华大学生命科学学院/北京生物结构前沿研究中心张强锋副教授和清华大学生命科学学院博士后徐魁为论文通讯作者，清华大学生命科学学院2021级博士生代沐芷为论文第一作者，2018级博士生董卓尔为该工作做出了重要贡献。另外，清华大学生命科学学院/北京生物结构前沿研究中心闫创业副教授和2021级博士生孔方也为该工作提供了宝贵的意见和帮助。本工作得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金、清华-北京生命科学中心博士后基金、北京生物结构前沿研究中心、清华-北大生命科学联合中心、上海期智研究院的支持。 论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmb.2023.168059

仪器信息网讯 2022 年 1 月 31 日，利用冷冻电镜(cryo-EM)和机器学习的力量加速开发新型治疗药物的精准生物技术公司Gandeeva Therapeutics宣布已在A轮融资中筹集了4000万美元，投资由Lux Capital和Leaps by Bayer领投，Obvious Ventures、Amgen Ventures、Amplitude Ventures和Air Street Capital参与。（注：在国内，新型药物研发公司水木未来(北京)科技有限公司在2020年完成数千万元天使轮融资；双良集团旗下创新药研发服务机构无锡佰翱得生物科学有限公司则在2020年完成超1亿元A轮融资，2021年再获2亿元B轮融资，将用于加码冷冻电镜平台和加速“千靶万苗”计划）这笔资金将用于推进Gandeeva公司的人工智能驱动冷冻电镜平台，旨在加速新型精准药物的发现、设计和开发。该专有平台结合了生物化学、结构生物学、成像和机器学习等高度创新的技术，以在原子水平上表征蛋白质-药物相互作用，所有这些都旨在为靶向蛋白质功能提供新的见解。“几十年来，我们已经知道，理解蛋白质折叠和在细胞的自然环境中发挥作用的语言是破译生物学的基础，几乎每一种疾病都涉及到蛋白质功能的改变。”Gandeeva Therapeutics创始人兼首席执行官Sriram Subramaniam博士谈到，“Gandeeva将这些技术整合在其开创性的平台中，通过超越冷冻电镜技术和人工智能驱动的结构生物学方法的最新发展，努力解开这些谜团。我很高兴能够领导一个由生物学家、化学家、显微镜学家和工程师组成的跨学科和多样化的团队来实现这一共同的使命。”Lux Capital合伙人Adam Goulburn表示:“cryo-EM 和 AI的结合正在大规模地解锁和普及原子分辨率，Gandeeva的平台和团队正好处在这两种技术的界面上。通过数字化和自动化冷冻电镜成像，Gandeeva引领结构生物学主导药物发现的变革。”Leaps by Bayer负责人 Jürgen Eckhardt 表示： “我们对Gandeeva的平台感到兴奋，它有潜力将预测和实验结合起来，通过可视化蛋白质-药物相互作用，在原子水平的分析，并以前所未有的速度优化药物设计。Gandeeva公司专注于将其强大的技术应用于显著改善药物开发，这与我们用数据改变健康、实现精准医疗等领域突破的雄心是一致的。”正如Gandeeva 首席执行官Subramaniam博士最近在《自然方法》(Nature Methods)杂志上发表的一篇评论文章中指出的那样，Gandeeva正领导着一场精确成像革命，其将冷冻和机器学习独特地结合在一起，可以说是结构生物学的新字母表中的 “阴和阳”。Subramaniam博士团队的Nature Methods文章Subramaniam博士的团队以前所未有的速度制作出了Omicron刺突蛋白的第一张原子级的快照，并将其发表在《科学》(Science)杂志上，这是Gandeeva平台背后力量的有力佐证。Subramaniam博士团队的Science文章Omicron 刺突蛋白的冷冻电镜结构关于 Gandeeva Therapeutics, Inc.Gandeeva™ 是一家精密生物技术公司，利用冷冻电镜(cryo-EM)和机器学习的能力来推进药物的发现和大规模开发。Sriram Subramaniam是Gandeeva公司的创始人兼首席执行官，他因在推动冷冻电镜分辨率革命和3D电子显微镜成像创新方面的贡献而享誉国际。Gandeeva致力于通过药物发现的革命和降低晚期临床失败的风险来实现对公共卫生的变革性社会影响。Gandeeva的总部位于加拿大温哥华。

揭示生物学样本和材料样本原本无法观察到的内部结构冷冻断裂是一种将冰冻样本劈裂以露出其内部结构的技术。冷冻蚀刻是指让样本表面的冰在真空中升华，以便露出原本无法观察到的断裂面细节。金属/碳复合镀膜能够实现样本在SEM（块面）或TEM（复型）中的成像，主要用于研究如细胞器、细胞膜，细胞层和乳胶。这项技术传统上用于生物学应用，但现在逐渐在物理学和材料科学中展现出重要意义。近年来，研究人员通过冷冻断裂电子显微镜，尤其是冷冻复型免疫标记（FRIL），对膜蛋白在动态细胞过程中所发挥的作用有了新的见解。作者：Gisela Höflinger图1：麦叶上的蚜虫适合于电子显微镜的环境电子显微镜的样品室通过抽真空处理降至极低压力。置于这种环境下的活细胞无法有效保全结构，因为细胞构成中的大部分水分会快速蒸发。生物样本的制备方法有很多种。样品材料被（固定）保存，这样后续脱水对原位结构的破坏最小，同时可以使用环境扫描电镜（SEM）或者将水冷冻。高压冷冻是观察自然状态下含水结构的唯一方法。高压冷冻所形成的冰不是六边形冰（从水变为六边形冰时体积会增加）而是无定形冰，因此体积保持不变。所以，对渗透和温度变化敏感的结构得以保留（见文章“高压冷冻基础介绍”）。要观察诸如细胞器、细胞膜、乳胶或液体的表面界面等结构，冷冻断裂是唯一的方法。通过刀片（或类似物）或释放弹簧负载的外力来破开冷冻样本，并沿着最小阻力线断裂样本。图2：冷冻断裂（来源：http://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Lipids/Membrane_Fluidity） 水的升华与凝结 – 冷冻蚀刻与污染要暴露冷冻断裂面，需要把冰去除。这就需要通过把断裂面的冰升华去除以保存样品的结构。升华的过程是冰不经过液态过程直接转化为气态。而液态过程会导致样品体积和结构的破坏。图3：ES，细胞外表面；PF，细胞膜冷冻断裂面；EF，细胞膜外层冷冻断裂面；FS，细胞膜内表面；Cyt，细胞质水的升华/冷凝过程取决于特定温度下的饱和压力，以及水或冰在室内的有效水分压。注意：良好的真空度会降低水分压。例如：温度为-120℃的冰或冰冻样本饱和压力约为10-7 mbar。如果样品室内达到这个压力，则冷凝和蒸发处于平衡状态。蒸发的分子数量等于冷凝的分子数量。在更高压力下，冷凝速度要快于升华速度 – 因此冰晶会在样本表面上生长。必须采取一切手段来避免这种情况。样本上方一个较冷（比样本更冷）的冷阱会降低局部压力，从而起到了冷凝阱的作用。从样本中带出的水分子优先附着在较冷的表面上。在低于饱和压力的压力下，更多的分子升华而不是冷凝，同时会发生冷冻蚀刻。执行冷冻蚀刻直到样本完全无冰，这一过程称为冷冻干燥。仅适用于合理时间内执行的小样本。该过程分为几个步骤，需要从大约-120℃加热到-60℃，同时在每个步骤上使温度保持一定时间。该过程需要几天的时间来完成。图4：饱和蒸汽压力（感谢Umrath 1982提供的图片）样本温度低于-120℃时，蚀刻速度非常慢，蚀刻持续时间会增加到不切实际的程度。如果真空室的压力固定，则可以通过提高样本温度来提高蚀刻速度。对于生物样本，要特别小心温度高于-90℃。蚀刻速度会大幅提高。另外，要注意玻璃态冰中形成六边形冰晶从而导致脱水伪像。纯水的理论升华速度会降低，因为：• 样本深处的水升华速度比表面的水更慢。• 盐和大分子溶剂会降低升华速度。• 生物样本中大量存在的结合水会降低升华速度。通过冷冻断裂生成图像冷冻断裂和冷冻蚀刻技术往往采用高真空精细镀膜技术，将超细腻重金属和碳薄膜沉积于断裂表面。冷冻断裂样本在一定角度下用金属覆盖，然后在碳背衬膜（徕卡EM ACE600冷冻断裂或徕卡EM ACE900与徕卡EM VCT500）上生成复型进行TEM成像或在SEM的试块面上进行成像。对于这两种方法，冷冻断裂表面经过一定的蚀刻时间后以相同的方式进行镀膜。首先在一定角度下进行一层薄的（2-7nm）重金属镀膜，以形成地形对比度（阴影）。其次再针对重金属薄膜，在90°下进行一层厚的碳层（15-20nm）镀膜，以稳定超薄电子束蒸发。此时的蚀刻处理会停止。要对极小的结构进行成像，需要在极低的角度（2–8°）镀膜重金属并在镀膜期间旋转样本。这样可增加细丝状及其它细小结构的对比度。此项技术又称为小角度旋转投影。蒸镀重金属薄膜需要采用电子束蒸发镀膜技术。这种镀膜技术可实现精细定向沉积。碳的支撑层稳定了未被金属覆盖的结构。随着温度的升高，这些结构会改变它们的轮廓，样本不会完全导电，复型也不会粘在一起。冷冻断裂酵母的单向投影图5：低温SEM，BSE（背散射电子）图像。Walther P, Wehrli E, Hermann R, Müller M.（1995）双层镀膜获取高分辨率低温SEM。J Microsc. 179, 229-237。图6：复型，TEM图像（感谢Electronmicroscopy ETH Zürich提供图片）。Walther P, Wehrli E, Hermann R, Müller M.（1995）双层镀膜获取高分辨率低温SEM。J Microsc. 179, 229-237。图7：徕卡高压冷冻，真空冷冻传输至冷冻断裂系统中，利用电子束发射枪和旋转样本底座来进行冷冻蚀刻和低温镀膜。徕卡真空冷冻传输至低温SEM。油/水基样品，–100℃（升华）3分钟暴露油脂结构。图8：徕卡高压冷冻，真空冷冻传输至冷冻断裂系统中，利用电子束发射枪和旋转样本底座来进行冷冻蚀刻和低温镀膜。徕卡真空冷冻传输至低温SEM。原生生物游仆虫混合培养的羽纹硅藻。感谢英国波特斯巴NIBSC的Roland Fleck博士提供图片图9：徕卡冷冻断裂系统及徕卡真空冷冻传输至低温SEM的HPF、冷冻断裂、冷冻蚀刻和低温镀膜。油/水基乳液破裂，露出洋葱状薄片结构，形成液滴。感谢汉堡拜尔斯多夫Stefan Wiesner博士提供的图片。图10：TEM中的酵母细胞复型。经徕卡高压冷冻和徕卡冷冻断裂复型制备。感谢Elektronenmikroskopie ETH Zürich提供的图片。图11：大麦叶上的真菌。安装于徕卡冷冻断裂仪样本台上，并通过冷却样本台在液氮下进行冷冻。徕卡冷冻断裂仪对样品进行部分冷冻干燥（在更高的样本温度下冷冻干燥）。使用钨镀膜。徕卡真空冷冻传输至低温FESEM 5keV。相关产品徕卡EM ACE900 高端EM样本制备冷冻断裂系统徕卡EM VCT500了解更多：徕卡官网

冷冻电子显微镜的进展为大分子蛋白质结构测定提供了潜力，但是在多域蛋白质的域间方向建模，成功率仍然很低。近日，Nature子刊，作者使用冷冻电子显微镜开发了自动的域增强建模（DEMO-EM）方法。DEMO-EM方法通过结合刚体域拟合和柔性装配模拟（具有深度神经网络域间距离分布的灵活装配模拟）的渐进式结构精调程序，从冷冻电子显微镜图中组装多域蛋白结构。该方法在包含多达 12 个连续和不连续结构域的大规模蛋白质基准集上进行了测试，这些结构域具有中到低分辨率的密度图，其中，对于 97% 的案例，DEMO-EM 生成的模型具有正确的域间方向（模板建模分数（TM 分数）0.5），并且优于最先进的方法。DEMO-EM流程图使用结核分枝杆菌依赖性因子的三域蛋白进行说明从查询序列开始，域边界首先由FUpred和ThraDom预测，每个域的模型由DI-TASSER生成。同时，使用深度学习卷积网络DomainDist预测域间距离。其次，每个域模型都通过拟牛顿搜索独立地拟合到密度图。第三，初始全长模型通过两步刚体REMC模拟优化，以最小密度图和全长模型之间的DCS。第四，使用由DCS、域间距离分布和基于知识的力场引导的REMC模拟，通过原子级、分段级和域级精调的柔性装配对从刚体装配模拟中选择的最低DCS模型进行精调，得到decopy构象由SPICKER聚类以获得质心模型。最后，对全原子模型再次进行柔性装配模拟，其中质心模型的约束增加了能量，最终模型是用FASPR和FG-MD侧链重新包装后的最低能量模型构建。DEMO-EM是一种基于冷冻电镜图的多域蛋白质结构确定的分层方法，由四个连续步骤组成：（1）确定域边界并对单个域建模（2）将域模型与密度图匹配初始框架生成（3）用于域位置和方向优化的刚体域结构组装（4）全长结构模型的柔性结构组装和细化模拟从冷冻电镜合成密度图构建多结构域蛋白从查询的氨基酸序列开始，首先应用LOMETS[1]从PDB创建多个模版比对，其中ThreaDom用于根据域保守分数预测域边界。如果蛋白质被LOMETS定义为“简单”目标，并且比对覆盖率95%，则应用ThraDom预测的域定义。否则，通过FUpred（通过最大化域内接触的数量[3]和最小化由基于深度学习的神经网络ResPRE[2]）预测的接触图上的域间接触的数量来预测域边界。接下来使用DI-TASSER[4]生成每个域的结构模型，它是I-TASSER[5]的一个版本，通过将深度学习预测的残基间接触和距离图以及氢键电位结合到迭代搜索全基因组和宏基因组序列数据库来构建多序列比对（MSA）。然后根据TripletRes预测的接触选择最前面的MSA，将其输入到ResPRE[2]，TripletRes是基于深度残基神经网络预测距离图、氢键网络和扭转角。这些预测的约束被集成到I-TASSER力场中以指导replica-exchange 蒙特卡洛模拟（REMC）。最终模型由SPICKER聚类并由FG-MD改进。对于包含来自查询序列不同区域的两个或多个片段的不连续域，域模型是通过顺序连接所有片段的序列获得的。基于深度神经网络的域间距离预测为了帮助指导域方向组装，域间距离图由深度残差神经网络算法DomainDist预测，DomainDist 是TripletRes 的扩展，最初开发它是为了基于共进化矩阵的三元组预测残基间接触图，但在这里扩展以预测 2-20 Å 范围内 36 个 bin 内残基间距离的概率。DomainDist 程序在从 PDB 收集的 26,151 种蛋白质的非冗余数据集上进行训练，其中每种蛋白质的 MSA 是使用 HHblits搜索 Unilust30 序列数据库构建的. 除了 TripletRes 中采用的二维 (2D) 协同进化特征外，还采用了三个一维 (1D) 特征，包括隐马尔可夫模型、Potts 模型的序列和场参数的 one-hot 表示并平铺到两个维度并与二维协同进化特征连接。神经网络结构是按照卷积策略设计的，使用 ResNet 基础模块。神经网络模型由 Adam 优化算法训练，以最小化交叉熵损失。尽管 DEMO-EM 只考虑了域间距离信息，但在训练过程中同时考虑了域内和域间距离信息。基于拟牛顿的域匹配和冷冻电子密度图对于来自 DI-TASSER 的每个单独的域模型，我们使用有限内存Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (L-BFGS)，一种具有六维 (6D) 平移-旋转自由度的准牛顿优化算法，来识别与密度图相关性最高的域的最佳位置和方向。由于L-BFGS是一种局部优化方法，其结果取决于初始解，因此作者通过枚举欧拉角的所有组合( φ, θ and ψ )，以步长Srot_ang穿过密度图空间。对于domain pose，密度相关分数（density correlation score，DCS）用于指导L-BFGS模拟。Nvol是voxels的个数（网格点），ρEM (vi ) 是第i个voxel的实验密度。decopy结构探针密度定义为：刚体域组装执行两轮刚体域组装模拟以优化域位置和方向。在第一轮中，这些域被视为粒子，并进行快速的REMC模拟，以根据全局模拟密度相关性调整各个域的位置。第二轮刚体REMC模拟用于微调域位姿，其具有更详细的能量立场。原子级灵活的域组装和细化灵活的域组装和细化过程包含两个阶段的模拟，具有渐进的voxels分辨率和采样焦点。在第一阶段，实施了6种不同的动作，（1）LMProt 扰动，（2）围绕连接两个末端的轴的片段旋转，（3）片段沿序列的构象移位，（5）刚体段平移，（5）刚体尾部旋转和（6）刚体域级平移和旋转。第二阶段，使用在所有原子上计算的DCS实现Voxel大小为2 Å 的更精细的密度图。此外，所有残基都有相同的概率被选中进行移动和采样。当交换次数达到 100 时，模拟终止。选择最低能量的诱饵来构建最终模型，侧链原子由 FASPR 重新包装，然后是 FG-MD 细化。结果表2显示了从同一组预测域模型开始时从 MDFF 和 Rosetta 获得的结果，其中初始构象由 Situs 和 MAINMAST 建模组装。这些数据再次表明，DEMO-EM 的表现优于 MDFF、Rosetta 和 MAINMAST，全长模型的平均 TM 分数分别比 MDFF、Rosetta 和 MAINMST 高 60.0%、87.2% 和 144.4%。最后，作者在所有 51 个案例上将 DEMO-EM 与最先进的端到端深度学习结构预测方法 AlphaFold2 进行了比较。由上表所示, 虽然 AlphaFold2 预测的单个域的 TM-score (0.89) 比 DEMO-EM (0.84) 高，这可能是因为 DI-TASSER 构建的域模型质量较低，整体质量DEMO-EM 构建的全长模型（TM-score 为 0.88）优于 AlphaFold2（TM-score 为 0.84），DEMO-EM 在 28 出时获得了比 AlphaFold2 更高的 TM-score 51 种蛋白质。作者还将 AlphaFold2 构建的相同全长模型输入 MDFF、Rosetta 和 DEMO-EM，以检查灵活组装和细化过程的性能。所有方法都改进了初始全长模型，即使对于最佳预测模型，也显示了冷冻电镜数据的有用性。源代码：https://zhanggroup.org/DEMO-EM/参考资料[1] Zheng, W. et al. LOMETS2: improved meta-threading server for fold-recognition and structure-based function annotation for distant-homology proteins. Nucleic Acids Res. 47, W429–W436 (2019)[2]Li, Y., Hu, J., Zhang, C., Yu, D.-J. & Zhang, Y. ResPRE: high-accuracy protein contact prediction by coupling precision matrix with deep residual neural networks. Bioinformatics 35, 4647–4655 (2019)[3] Zheng, W. et al. FUpred: detecting protein domains through deep-learning based contact map prediction. Bioinformatics 36, 3749–3757 (2020)[4] Zheng, W. et al. Protein structure prediction using deep learning distance and hydrogen‐bonding restraints in CASP14. Proteins 89, 1734–1751 (2021)[5]Yang, J. et al. The I-TASSER suite: protein structure and function prediction. Nat. Methods 12, 7–8 (2015).

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 为了满足仪器信息网用户对冷冻电镜技术的知识需求，解决学习及工作中的问题，本文特整理了仪器信息网的络讲堂栏目中冷冻电镜技术相关会议报告，专家们讲解精准专业，欢迎感兴趣的用户保存下载观看学习。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 400px height: 150px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202002/uepic/9fca8064-11ea-48bc-9256-75435b189e9c.jpg" title=" 图片2.png" alt=" 图片2.png" width=" 400" height=" 150" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 清华大学生命科学学院教授王宏伟 /strong /p p style=" text-align: center " strong 报告题目《冷冻电子显微学前沿进展及展望》 /strong strong /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 冷冻电子显微学（冷冻电镜）作为一种生物大分子结构解析的新方法，近年来在技术上取得了革命性的发展，使得该方法可以将生物大分子的结构解析至近原子分辨率，从而迅速成为结构生物学研究的强有力手段。冷冻电镜的最新前沿进展包括方法学上的进一步突破和应用领域的扩展。王老师在报告中介绍了冷冻电镜的一些前沿成果和未来展望。 a href=" https://www.instrument.com.cn/webinar/video_105583.html" target=" _self" strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " （报告视频链接） /span /strong /a span style=" font-family: 微软雅黑 color: rgb(102, 102, 102) letter-spacing: 0 font-size: 14px" & nbsp & nbsp /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" font-family: 微软雅黑 color: rgb(102, 102, 102) letter-spacing: 0 font-size: 14px" /span /p p style=" text-align: center " strong 哈佛大学李宗利 /strong /p p style=" text-align: center " strong 报告题目《Quality data acquisition in single particle electron cryo-microscopy》 /strong strong /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 李老师在报告中讨论了单粒子cryoEM中高质量数据收集的策略，包括如何准备好的EM网格以及如何对准显微镜以确保数据质量。此外，还讨论了影响数据质量的因素。 a href=" https://www.instrument.com.cn/webinar/video_105580.html" target=" _self" span style=" color: rgb(0, 112, 192) " strong （报告视频链接） /strong /span /a /p p style=" text-align: center " strong 上海科技大学沈庆涛 /strong /p p style=" text-align: center " strong 报告题目《Self-capping of nucleoprotein filaments protects Newcastle Disease Virus genome》 /strong strong /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 沈老师在报告中对冷冻电镜做了概述，讲到冷冻电镜的发展趋势，并结合自身研究工作，介绍了低温电子显微镜技术的应用。使用冷冻电子显微镜，沈老师团队确定并解析了NDV N形成4.8埃分辨率的蛤状结构，两个背对背模式的单匝螺旋堆积，这种蛤形结构可以充当种子，组装成带有两个独立RNA的双头细丝，通过环界面上的过渡突变破坏蛤形结构，将产生单头细丝并暴露出核酸酶可接近的RNA 5& #39 末端，这将消除微型基因组分析中的病毒基因组复制。 a href=" https://www.instrument.com.cn/webinar/video_105562.html" target=" _self" strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " （报告视频链接） /span /strong /a /p p style=" text-align: center " strong 浙江大学助理研究员常圣海 /strong /p p style=" text-align: center " strong 报告题目《冷冻电镜数据自动收集的相关设定和监控》 /strong strong /strong /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 冷冻电镜技术能够保持样品在高真空成像系统中的稳定性和减轻样品电子辐射损伤等问题，实现了使用电镜能够获取溶液状态下生物样品的高分辨信息，使得冷冻电镜技术成为结构生物学研究的主要手段之一。常老师在报告中分享了冷冻电镜数据采集和数据监控的手段：在自动数据采集这一部分，展开介绍SerialEM软件的相关设置和操作，从而保证稳定快速的数据采集；在数据监控部分，着重介绍Focus的设置和操作，实时监控数据质量，从而保证数据的质量。 a href=" https://www.instrument.com.cn/webinar/video_105569.html" target=" _self" strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " （报告视频链接） /span /strong /a /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " strong 拓展： /strong /p p style=" text-indent: 2em " a href=" https://www.instrument.com.cn/news/20200212/521790.shtml" target=" _self" style=" color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline " strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 【视频分享】听专家们讲透射电镜技术与应用 /span /strong /a /p p style=" text-indent: 2em " a href=" https://www.instrument.com.cn/news/20200211/521704.shtml" target=" _self" style=" color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline " strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 【视频分享】听专家们讲扫描电镜技术与应用 /span /strong /a /p p style=" text-indent: 2em " strong style=" margin: 0px padding: 0px color: rgb(34, 34, 34) font-family: 微软雅黑 font-size: 24px white-space: normal " /strong /p

纤毛（cilia），又称为鞭毛（flagella），是突起于真核细胞表面的一类重要细胞器，普遍存在于高等生物几乎所有细胞中，在细胞运动，胚胎发育，信号转导等过程中发挥重要作用。部分纤毛能通过水解ATP提供的能量自主运动，称为运动纤毛（motile cilia）。运动纤毛骨架的微管为“9+2”分布，包括周围九根双联微管（doublet microtubule）和中间两根单微管（singlet microtubule）。双联微管内部腔内有几十种蛋白质附着，外部周期性分布有轴丝动力蛋白（axonemal dynein）等复合物，共同维持微管的稳定，介导纤毛的运动。运动纤毛通过规律性的摆动，为细胞运动提供动力，如精子的游动；或者推动细胞表面液体流动，如气管上皮细胞通过纤毛摆动清除粘液和病原体。运动纤毛的生长和运动由几百种蛋白质精密协作来完成，相关的基因突变可引起原发性纤毛运动障碍症（primary ciliary dyskinesia, PCD）。PCD主要表现为先天性呼吸道纤毛粘液清除障碍和慢性呼吸道感染，并常伴随内脏异位和先天性心脏病（胚胎纤毛运动异常），男性不育（精子鞭毛运动异常），先天性脑积水（脑室纤毛运动异常）等。此类遗传病尚无诊断“金标准”，也缺乏有效的治疗手段。基因测序技术筛选已知致病基因的突变是辅助该疾病诊断的重要手段，但仍有近三分之一PCD病例的致病基因未被发现，因此鉴定新的PCD致病基因尤为重要【1】。2021年10月28日，哈佛医学院Alan Brown 实验室联合新加坡国立大学的Sudipto Roy和英国MRC Harwell研究所的Dominic P. Norris实验室（共同一作为桂淼和Hannah Farley, Priyanka Anujan, Jacob R. Anderson）在Cell杂志上发表了题为De novo identification of mammalian ciliary motility proteins using cryo-EM的论文。文章首次从牛气管组织中纯化出运动纤毛双联微管复合物，解析了近原子分辨率的冷冻电镜结构，结合多种不同建模手段，成功鉴定出36种蛋白质并构建了原子模型，进一步通过基因敲除动物实验阐明了两种新鉴定的蛋白Pierce1/Pierce2缺陷导致疾病的分子机理。在之前的研究中，Alan Brown 实验室联合圣路易斯华盛顿大学张锐实验室合作解析了单细胞生物莱茵衣藻的双联微管原子模型【2】。通过比较哺乳动物和衣藻的结构，作者发现其中22种微管腔内蛋白在不同物种中高度保守，但哺乳动物双联微管结构的显著特点在于：1）A微管内存在一种高度稳定的纤维（tektin bundle）；2）微管外部轴丝动力蛋白锚定复合物（outer dynein arm-docking complex）由五种蛋白组成而衣藻是三种蛋白；3）两种蛋白Pierce1/Pierce2能穿透微管壁并连接微管内外的复合物。通过结构分析，作者发现Pierce1/Pierce2起到稳定外部轴丝动力蛋白的作用，推测两种蛋白的缺失会导致轴丝动力蛋白的丢失，进而引起纤毛运动障碍。在此基础上，作者构建了这两种基因敲除的斑马鱼和小鼠模型，并发现基因敲除动物存在内脏异位，纤毛运动障碍，轴丝动力蛋白丢失等表型，其中双基因敲除小鼠会导致胚胎早期死亡。基因敲除导致的类似PCD症状表明Pierce1/Pierce2是潜在的致病基因。本文对冷冻电镜技术的未来发展以及对遗传疾病的诊疗都有一定的启发意义。随着AlphaFold2时代的到来，不乏有人认为结构生物学或者冷冻电镜的发展将面临“末日”。诚然，AlphaFold2确实能相对准确地预测单个蛋白或者一些复合物的三维结构，但面对本文这种数百兆道尔顿分子量的、几十种不同蛋白组成的超大复合物结构，还远远无法准确预测。更重要的是，这些复合物直接来源于天然动物组织，在建模之前尚不清楚其蛋白组分，更无法预测其结构。因此这种超大的天然复合物是AlphaFold2的“软肋”，却正是冷冻电镜擅长的领域。事实上，AlphaFold2等结构预测方法的进步能提高超大复合物原子模型构建的效率，而不是取代。此外，蛋白质在细胞内发挥功能时往往会有多种不同构象，结合不同蛋白或者有各种修饰，这些动态结构信息都需要通过冷冻电镜等实验手段来解析。遗传疾病的诊疗方面，以本文涉及到的原发性纤毛运动障碍症PCD为例，它是一种涉及到呼吸道，多种内脏器官和生殖系统等方面的复杂遗传性疾病，传统诊断方法过程繁琐且准确性一般，因而建立该疾病的致病基因库并采用基因测序进行辅助性诊断越来越重要。过去，PCD致病基因的发现主要是基于正向遗传学，即对临床确诊病例进行基因测序，如“大海捞针”般鉴别致病突变，迄今为止，这种方法在过去几十年间共鉴定出约50种PCD致病基因，但其存在“低通量”这一显著问题。而本文通过结构生物学分析，一次性鉴定出几十种运动纤毛骨架蛋白质，并且大部分蛋白质没有详细的功能研究，都可能成为PCD等遗传病的候选基因。如本文一样，通过反向遗传学的方法有目标地建立基因敲除动物模型，研究这些蛋白的功能，能快速丰富PCD遗传病相关基因的数据库，为将来的疾病诊断和基因治疗提供指导。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.10.007

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

骨头、塑料、生物、植物，这些商检、质检、高校等检测机构最常见样品您处理好了吗？处理后您的样品变性了吗？前处理的结果满足后续检测的需要了吗？您想让处理过程更简单吗？ 您希望一款仪器能一次解决以上所有问题，并能让样品前处理的过程更简单更安全吗？ 答案就是2009年RETSCH推出的新型研磨仪——全自动冷冻研磨仪cyomill。 她能轻易为您处理各类软性及中硬性材料的样品，特别对于塑料等热敏性材料，与cryomill更是绝佳的搭档。因为cryomill有专为冷冻研磨设置的一套智能系统！ 全自动冷冻研磨仪cryomill 现代化的设计外形让人眼前一亮：一个研磨平台，一个平衡平台；特殊接口与液氮罐相连；透明保护盖，可视研磨过程；图形显示菜单，令操作更简单，研磨程序尽在掌握之中。 利用高速撞击的球磨原理对样品进行粉碎，振动频率最大可达25HZ，能量大，可在极短的时间得到极高细度的样品，结果还可用于光谱分析样品制备。并且研磨过程始终处在-196℃液氮中，保证样品绝不变性。 突破样品前处理史上最先进的技术，cryomill可以设置程序，控制整个研磨过程，根据样品的性质及数量你可以设置预冷却时间、研磨频率和研磨时间、冷冻研磨循环次数等。仪器运行时，您只通过图形显示的面板就可以知道研磨所处的阶段，所以在整个研磨过程中你都无需与液氮接触，避免了手动操作的繁琐和危险。 每一个细节，cryomill都为您设想周全：智能系统可以储存9组参数，简化了您的实验室工作；配套液氮罐autofill自动进气功能；多种研磨配件可供选择，根据您的实际需要可以选择25ml、35ml、50ml研磨罐，选用适配器使用4个5ml 的研磨罐。 以韧性的多糖为例，使用全自动冷冻研磨仪cryomill将多糖冷冻2分钟，研磨1分钟，设置3个循环，研磨结果小于100um。 研磨前后的多糖对比 除了低温冷冻研磨之外，cryomill依然可以进行常温的干磨和湿磨，例如对纺织品、PCB板、土壤、矿石等软性、中硬性和硬性样品都能达到要求的粉碎细度。 金属矿样用cryomill常温研磨5分钟，出样尺寸小于150um。 研磨前后的矿石对比 如此智能又方便的仪器您怎能错过，记住RETSCH,记住全自动冷冻研磨仪cryomill——低温粉碎技术的新里程碑。 为让RETSCH的产品帮助到更多的实验室人员，RETSCH在推出的新品的同时举办全球客户回馈活动——”WE R PREPARED”, 登录www.retsch.cn 参与答题您就有机会参加RETSCH全球旅行，选择拉斯维加斯冒险之旅或者瑞典冰雕旅馆的非凡体验，或者直接赢取现金5000.00欧元！ 关注RETSCH, 关注2009！

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。

（1）生物制品的冷冻真空干燥我们做过生物制品冷冻真空干燥的品种有皮肤、角膜、海参、螺旋藻等；从文献中看到其他人做过的冻干产品有心瓣膜、活菌、活毒、骨骼、各种疫苗、血液制品等。生物制品的冻干要求保持产品的活性，活菌、活毒等微生物真空干燥后的存活率要求80%以上，以便于应用。因此，对冻干机工艺要求严格，预冻温度、速度、时间的控制很不容易，保护剂配方、剂量、加入时间和加入方法非常关键，不同的人可能采用不同的配方，达到的效果可能相同。一般各种保护剂的配方都是互相保密的。（2）药材和药品的冷冻真空干燥我们做过的品种有人参、山药、纳豆激酶、北冬虫夏草、林硅油、鹿茸等；从文献中看到其他人做过的品种有各种粉针制剂、中草药制剂、抗生素、布洛芬、脂质体和其他纳米颗粒等。药材和药品需要长期保存，真机需要速溶，放置氧化，避免污染杂菌，保持药效的长久稳定。这些要求都需要通过冷冻真空干燥技术来实现。药材和药品的冷冻真空干燥工艺要求也很严格，寻找合适的冻干保护剂、添加剂、赋形剂都很困难，生化干燥阶段的温度控制、加热速率控制都很关键，严格防止塌陷。（3）食品的冷冻真空干燥我们做的食品有菠菜、苹果、香蕉、库尔勒香梨等；从文献上查到其他人做过的品种有咖啡、茶叶、大蒜、鱼肉、调料等。食品种类繁多，形状、性质相差较大，冻干工艺需要在实验中确定。冻干食品时间较长、耗能较多、价格较高，应该合理选择冻干参数，优化冻干过程，降低冻干昂成本，根据市场需要，选择性价比较高的食品做冷冻真空干燥。（4）冷冻真空干燥在其它领域的应用冷冻真空干燥除了在生物制品、药品、食品和纳米材料制备方面的应用之外，还可以干燥超市的木质文物、古画等，冻干发出来的这些产品能恢复物品的原样；还可以干燥动植物标本，使标本长期保存，栩栩如生；医疗事业做实验用的、具有毒害物质的动物尸体采用冻干干燥法的处理，可以实现环保等。

p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201901/uepic/56726cd4-dd5e-45c4-a263-71b5603f050c.jpg" title=" 1.jpg" alt=" 1.jpg" style=" width: 300px height: 179px " width=" 300" vspace=" 0" height=" 179" border=" 0" / /p p style=" text-align: center " 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 科研人员在读取数据　　 /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201901/uepic/36e4eddb-047d-49db-b3d1-d74e9393cc11.jpg" title=" 2.jpg" alt=" 2.jpg" style=" width: 300px height: 488px " width=" 300" vspace=" 0" height=" 488" border=" 0" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " /span span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 科研人员将样品放进冷冻电镜设备中 /span /p p 　　一个“显微镜”有多贵?答案是千万或者上亿元。 /p p 　　在南方科技大学冷冻电镜中心一栋普通科研楼里，就藏着这些身价惊人的“大家伙”。这些“宝贝”被精心呵护，娇贵得甚至容不下一点噪音。与此同时，科学家通过它们，不停地读取着生命科学、新材料、新能源研究领域中不可或缺的重要密码。 /p p 　　2018年11月19日，南科大冷冻电镜中心正式揭牌。全部建成后，这将是我国配套最齐全、最先进的冷冻电镜实验室，同时规模也将跻身世界前三。近日，深圳商报记者走进这里，探访这些表面低调却内有乾坤的“大显微镜”。 /p p 　 strong 　6台机器世界先进，还有“独家定制” /strong /p p 　　南科大冷冻电镜中心是深圳市政府出资、南科大牵头建设的重大基础科学设施平台，旨在支撑深圳市、粤港澳大湾区及中国南方在生物医药、精准医疗、新能源、新材料方面的科学研究及产业升级。 /p p 　　南科大冷冻电镜实验室拟安装300千伏冷冻电镜6台及其它71台/套相关辅助仪器和样品制备设备。目前，项目一期的2台300千伏冷冻电子显微镜已经完成安装调试，投入使用。据南科大冷冻电镜实验室主任王培毅教授介绍，这6台设备都是世界上最先进的，其中还有一台是南科大冷冻电镜中心根据需求“独家定制”的，可以说是“世界唯一”。 /p p 　　 strong 2017年诺贝尔化学奖得主理查德· 亨德森曾预言，这里将会成为全球最大的三个冷冻电镜中心之一，未来的研究能力将会达到全球的前5%。 /strong /p p 　　在全球范围，冷冻电镜近几年热度飙升，成为科学界“兵家必争之地”。2017年诺贝尔化学奖颁给了在这个领域做出贡献的三位科学家，更是说明冷冻电镜炙手可热。那么，究竟什么是冷冻电镜?王培毅教授告诉记者，冷冻电镜是电子显微镜的一种，它的工作原理和光学显微镜类似，也是通过光与样品的相互作用而成像。只是冷冻电镜所用的光源不是人们平时见到的可见光，而是电子。由于波长的限制，可见光的分辨率一般是1500倍以下，而电子的波长非常短，大约是普通光波长的十万分之一左右，因此冷冻电镜的分辨率可以达到更高的程度，能够直接观测到蛋白质分子一类的生物大分子的精细结构。 /p p 　　以生物医药领域的应用为例，冷冻电镜技术就是“把组成动、植物的蛋白用生物学的方法取出后，以快速冷冻的方式冷冻到液氮温度(-196度)，这样可以保持蛋白的活性。在这种状态下用冷冻电镜观察活蛋白，可以达到零点几纳米的分辨率，由此准确判断药物靶标的位置，并根据药物靶标来开发新药。”因为可以“看”得更精细，所以冷冻电镜技术在很多领域都被广泛应用，被视做是材料科学、生命科学等学科基础研究的利器。 /p p 　　“目前，全国购置的冷冻电镜有27台，主要集中在北京、上海等地。我们购买的冷冻电镜，根据研究的领域不同有所侧重，有些偏重于材料科学，有些偏重于生命科学。我们定制的那一台‘世界唯一’的冷冻电镜，就是希望它能够在重大疾病的诊断方面发挥作用。”王培毅教授告诉记者，2019年将是南科大冷冻电镜中心非常重要的一年，除了定制的那一台冷冻电镜外，其他购置的电镜将陆续到位，安装、调试后，电镜中心的工作将在2020年迈上新台阶。 /p p 　　 strong “大家伙”很娇贵也很辛苦 /strong /p p 　　隔着玻璃，记者顺着王培毅教授的指引，看到了目前已经使用的两台冷冻电子显微镜静静矗立。但是，近300平方米的机房内，却没有工作人员忙碌的身影。 /p p 　　这是为什么?“首先，我们的机房内一般是没有人的，工作人员的工作都通过计算机远程操控完成，只在装样品的时候才进入十几分钟。另一个原因是，今天实验室内有施工，考虑到施工带来的噪音会影响电镜工作，所以今天我们不提取数据。”王培毅教授的解释让记者大吃一惊——这些“身材魁梧”的“大家伙”，原来是一点噪音都会受影响的“娇小姐”! /p p 　　因为冷冻电镜十分精密，所以对环境的要求很严苛。据王培毅教授介绍，为了减少振动带来的影响，机房的地面厚度约1米，且是独立建设的，跟周围建筑物完全分离，甚至连空调的风速都必须严格监控。机房内必须经过严格的消磁，在里面是没有手机信号的。机房内的温度、湿度都恒定，温度变化每小时不超过0.2℃。还有一个房间专门用来制作样品，房间内的湿度保持在20%，因为只有在这样相对干燥的环境里才能保证样品的质量。如此小心翼翼地“伺候”，就是为了让冷冻电镜更好地运转、工作。要知道，除了每个月两天的维护、保养时间外，冷冻电镜可是24小时连轴转的。 /p p 　　“冷冻电镜与普通材料电镜最大的不同在于，冷冻电镜的结果是统计结果，需要大数据。普通的材料电镜，拍一张照片就有结果，但冷冻电镜需要拍成千上万的照片，然后用统计学的方法把结果算出来。这也就说明了，为什么一般机构购置冷冻电镜都需要两台以上，因为它要解析一个样品，需要几十个小时甚至更长的电镜时间。”冷冻电镜的相机灵敏度有多高?王培毅教授打了一个比方——相当于在几万公里的高空可以看到桌子上的一瓶水。这些高精度的照片存储量惊人，“一台电镜一天就能采集2T以上的数据量”，而后的数据分析和解读无疑也是一项巨大的工程。 /p p 　　 strong 期待中国原创靶向药从这里走出 /strong /p p strong 　　这几台世界先进的“大家伙”，究竟能为老百姓带来什么? /strong /p p 　　王培毅表示，在生活水平日益提高的情况下，健康成为人人关心的焦点。对于深圳而言，下一阶段的城市发展，生物医药和健康产业将是巨大的“增长点”。南科大建设世界一流的冷冻电镜中心，目的就是通过利用国际最先进的科学技术，发展基础科学研究，聚焦重大疾病诊断、新药开发、精准医疗、功能材料研发和基础学科建设等领域，促进深圳新材料、医疗卫生、健康产业和高等教育的发展，同时积极服务于国家战略需求，造福百姓。 /p p 　　尽管冷冻电镜未来在许多领域都有很大的应用空间，但在王培毅心目中，冷冻电镜研究的终极目标还是为了人类的健康事业。“想要解决重大的疑难疾病的治疗问题，就必须要研发药物，然而药物的研发过程极其漫长，从研发到上市一般需要历经十年。治疗白血病的药物研发前后则是经历了近100年。而冷冻电镜可以通过低温冷冻技术，观察活的原始样本，进而用于研究致病机理，例如发现癌症的致病机理，从而推动癌症等重大疾病的诊断和治疗，极大地缩短制药的时间。”王培毅教授说，自己的最大心愿就是缩短靶向药物的研发时间，助力中国研发自己的原创药。 /p p 　　除了生命科学领域的课题外，目前南科大冷冻电镜中心的研究重点还有新能源和新型化合物。此外，实验室还将积极开展多学科交叉研究，并与学校已经建成的X射线晶体学平台、生物质谱蛋白质组学分析平台形成互补，开展国际上最前沿的蛋白质科学研究，为结构生物学、细胞生物学、神经科学，化学、材料科学等领域搭建交叉学科平台。 /p p 　　“各个学科对于冷冻电镜的需求是十分巨大的。目前我们还未全面对外开放，但排队的样品已经排到了春节以后。”这个春节，王培毅教授和他的团队将在忙碌中度过了?? /p p 　　 strong 小资料 /strong /p p strong 　　冷冻电镜 /strong /p p 　　2017年诺贝尔化学奖，授予了瑞士科学家雅克· 杜博歇、美国科学家约阿希姆· 弗兰克以及英国科学家理查德· 亨德森，以表彰他们在冷冻显微术领域的贡献。 /p p 　　理查德· 亨德森上世纪90年代改进了传统电子显微镜，取得了原子级分辨率的图像 约阿希姆· 弗兰克在上世纪七八十年代开发了一种图像合成算法，能将电子显微镜模糊的二维图像合成清晰的三维图像 雅克· 杜博歇发明了迅速将液体水冷冻成玻璃态以使生物分子保持自然形态的技术。这些发明使低温冷冻电子显微镜的各部件得到优化。 /p p 　　2013年以来，低温冷冻电子显微镜日渐成熟并获得广泛应用。如今研究者可以在生物分子的生命周期内对其进行冷冻和成像，将以往不为人知的分子生命状态呈现出来。 /p p style=" text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201901/uepic/c2a4b517-02a9-4da8-b95a-a30a0276234b.jpg" title=" 00.jpg.png" alt=" 00.jpg.png" style=" width: 300px height: 267px " width=" 300" vspace=" 0" height=" 267" border=" 0" / /p

p 　　Alpha-突触核蛋白(Alpha-synuclein)是路易小体(Lewy body)的主要成分，与帕金森病和其他神经退行性病变密切相关。日前，科学家们使用尖端技术MicroED(micro-electron diffraction)解析了Alpha-突触核蛋白的毒性核心，获得了分辨率超高的晶体结构。程亦凡博士在九月九日的Nature杂志上发表文章，探讨了这一重大进展在结构生物学中的意义。 /p p 　　程亦凡博士是加州大学旧金山分校的副教授，他原本是物理学博士，后来改用物理学方法研究生物问题。 近来程博士在冷冻电镜方面陆续发表了多项重要成果，受到了广泛的关注。2015年，程亦凡博士成为了霍华德· 休斯医学研究所的研究员。 /p p 　　Alpha-突触核蛋白的毒性核心由11个残基组成，被称为NACore。NACore可以形成有序的三维晶体，但这种晶体实在太小，光学显微镜观察不到，也难以进行X射线衍射。于是研究人员采用了以冷冻电镜(cryo-EM)为基础的新技术，MicroED。 /p p 　　用冷冻电镜进行结构分析时，需要在液氮温度下瞬间冷冻蛋白质悬液，让蛋白质分子周围的水分保持类似液体的状态，然后再通过成像解析蛋白分子的三维结构。随着硬件设备和软件算法等方面的突破，不依赖结晶的冷冻电镜技术越来越受到结构生物家的重视。 /p p 　　MicroED主要通过电子衍射来确定微小晶体的3D结构。这种技术最初发表在2013年底的eLife杂志上，并被《Nature Methods》杂志评为2015年最值得关注的技术之一。令人惊叹的是，MicroED在这项研究中的分辨率高达1.4埃。 /p p 　　程亦凡博士指出，这是人们首次用MicroED确定未知的分子结构，而1.4埃是迄今为止冷冻电镜达到的最高分辨率。这项研究展示了MicroED在结构生物学领域的巨大应用潜力。不过MicroED也有自己的局限，比如晶体结构解析中的相位问题(phase problem)。此外，MicroED很可能对晶体大小也有限制，强散射会令大晶体难以被电子束穿过。尽管如此，MicroED为结构生物学家提供了一个前景广阔的新工具，可以弥补现有技术的不足。 /p p br/ /p

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。

更清楚地看见生命分子的结构，有助于我们了解分子的功能和各个组分之间的相互作用。图源：EMBL。Credit: Agnieszka Obarska-Kosińska/EMBL and MPI of Biophysics编者按：2023年，Frontiers for Young Minds期刊网站再度邀请五位诺贝尔奖得主，专门为青少年撰写关于他们的研究的科普文章。《赛先生》获授权翻译了这一系列文章。了解生物的分子结构，一方面有助于科学家更好地理解这些分子的生物学功能，另一方面也对药物研发具有重要的指导意义。在下面这篇文章中，2017年诺贝尔化学奖得主理查德亨德森与Frontiers for Young Minds杂志撰稿人诺亚塞格夫，详解冷冻电子显微镜技术的发展历程，以及它如何引发生命分子结构的分辨率革命。诺亚塞格夫 理查德亨德森 ｜ 撰文Ano-GPT ｜ 翻译瞿立建 ｜ 校译理查德亨德森博士。他与雅克杜博歇（Jacques Dubochet）教授和约阿希姆弗兰克（Joachim Frank）教授因“开发冷冻电子显微镜，用于溶液中生物分子结构的高分辨率测定”，获得了2017年的诺贝尔化学奖。图片：A. Mahmoud，来源：诺奖官网。本文基于塞格夫对亨德森的采访撰写而成。结构生物学是观察构成生命的各种分子的结构，这些分子存在于人类和其他动物中，也存在于微生物和植物之中。为了解析这些结构，结构生物学家使用越来越精确的成像技术，从而“看见”或确定更小更多样的分子的结构。冷冻电子显微镜是一种非常先进和强大的成像技术：电子被发送到冷冻样品中，以确定单个分子的结构，其放大倍数足以看见原子。这些图像使我们更深入地理解生命的基本结构和功能。在本文中，我们将描述冷冻电子显微镜掀起的这场“分辨率革命”的发展过程。受访者亨德森博士因为这方面的贡献最终获得2017年的诺贝尔化学奖。眼见为实：看见微观的生命分子生物体包含许多重要的结构，并进行着多种活动。在人体内，我们有很多器官，它们由细胞构成，而细胞内又有很多细胞器和分子执行维持生命所必需的功能，例如能量代谢、排出废物、物质运输和抵抗有害因子等（图1）。为了了解生物体的工作原理并最终造福人类，我们需要密切观察这些微观分子的结构，以及这些结构执行的活动。结构生物学的使命便是观察这些生物组分的结构。过去，科学家们会从生命体内正在发生的特定活动着手，例如能量的代谢、转换和存储，再寻找参与其中的分子，通常是蛋白质和酶，然后才能去解析这些分子的结构。图 1：细胞内部的艺术效果图。您可以将细胞内部想象成一个密集的游乐场，其中包含许多不同的分子和细胞器，每个分子和细胞器都执行其独特的功能。要了解生命的运作方式，我们需要了解这些生命分子的结构和功能。然而在2000年，这一从功能到结构的研究思路发生了变化。因为这一年，通过人类基因组计划，科学家首次整理出完整的人类遗传信息的“指令集”（DNA碱基序列），这些遗传信息，甚至有约80%是之前不知道的。从那时起，通过基因信息，科学家可以在不必事先了解其功能的情况下先确定相关分子的结构。这开辟了结构生物学的全新路径。那么，科学家又是如何确定这些分子的结构呢？答案是：电子！电子和显微镜电子是存在于原子中的微小带电粒子，它的流动产生了电力。电子也是光和其他形式的电磁辐射——如X射线——的来源。你能相信吗，直到1895年，人类才发现了电子。在那一年，电子首次被英国剑桥大学物理系的科学家约瑟夫汤姆孙（J. J.Thomson）识别并命名。40年后的1935年，J. J.汤普森的儿子乔治汤姆孙（G. P. Thomson）证明了电子作为一种粒子，也同时表现出波的性质：它具有频率和波长，就像其他波一样。汤姆孙父子都获得了诺贝尔奖：父亲是因为电子作为粒子的发现，儿子是因为电子作为波的发现。不久之后，科学家意识到，如果电子表现得像波一样，从某种意义上说，它们一定也表现得像光一样，因为光也是一种波。因此，科学家想到也许可以用电子照亮他们想要观察的微小样品，就像我们基于可见光用眼睛、相机或普通显微镜来观察物体一样，这就是电子显微镜的起源。电子的波长很短，大约是可见光波长的十万分之一。而波长越小，样品放大的倍数越大。这意味着用电子拍摄的照片能显示出更多的细节，也就是说电子显微镜具有很高的分辨率。由于它的高分辨率，电子显微镜可以解析以前不可能看清楚的微小分子的结构。电子显微镜如何工作？电子显微镜中装有能够发射高能电子束的装置，能够穿过待研究的样品（如图2A所示）。当电子穿过样品时，它们与样品中的原子相互作用而偏离原来的行进路径——称为衍射，偏离方式决定于样品中原子排列的方式。因此，电子通过样品时“拾取”了其结构信息。电子随后通过特别设计的电磁场进行聚焦，这种电磁场称为电磁透镜，类似于相机内的镜头，然后被电子探测器记录下来。在这个阶段，科学家得到了从样品中衍射的电子的图像，然后将其转换为样品本身的图像。这种转换基于简单的物理学，其描述了被测物体与所成图像之间的关系。这一转换取决于许多因素，包括电子的波长和所使用的透镜，但这都由显微镜专家来处理。图 2：电子显微镜。(A) 在电子显微镜中，电子源释放出一束热的高能电子，穿过被置于真空环境的样本。当电子与样品相互作用时，它们会发生衍射（散射），随后被特殊透镜收集和聚焦，然后被电子检测器检测。(B) 剑桥大学的电子显微镜，它允许科学家对冷冻生物样本进行成像。图片来源：剑桥大学电子显微镜的挑战尽管电子可以帮助我们获得非凡的分子图像，但仍需克服重大挑战。首先，正如量子物理学告诉我们的那样，单个电子的活动具有不确定性。当你问电子遇到特定分子时会发生什么时，他们不会给出明确的答案。相反，他们有一定的概率（可能性）参与每个可能的结果。在电子世界中，所有可能发生的事情都确实发生了，每个选项都有确定的概率。这意味着科学家必须从许多电子中收集答案，并开动头脑，将这些信息组合起来。为实现这一目标，我们用数百万个电子照射样本，并使用它们的总体平均值来获得合理的答案。其次，电子的能量非常高，在成像过程中必须要穿过样品，而这会对样品造成损坏。 这 些超高能电子和任何其他类型的高能辐射一样，可以将样品分子中的电子打出来。 这会改变样品分子的形状和特性，因为生物分子相对脆弱。 因此，科学家很难在单个生物分子被破坏之前获得足够的结构信息。 应对这一挑战的一种方法是，拍摄许多独立的、相同的分子的图像： 至少 500 个，并对图像进行平均以获得分子典型的结构。 另一种方法是以特殊方式冷却样品，使其更能抵抗电子损伤——这将在下一节中介绍。另一个挑战在于，电子一旦靠近任何原子就会发生衍射。这意味着电子源和样品之间必须畅通无阻，这样电子才能到达目标分子，而不会因其他分子（如空气中的氧气和氮气）挡道而散射。换句话说，科学家必须在电子显微镜的样本周围创造一个真空。然而由于生物分子总是处在含水溶液中（想一想血液中的分子），水分子难免会蒸发到真空之中，此外水分的蒸发还会使样本过于干燥，这又通常会损坏样本中的生物分子。面对这些问题，结构生物学家发挥他们的创造力，利用水的独特性质来应对这一挑战。水在极低温度下能保持液态吗？为了解水的独特性质，您可以尝试下面这个实验（图 3 ）。拿一个带盖的空罐子，装满水，在水下拧紧盖子从而避免罐子里混入气体，然后将其放置于冰箱的冷冻层。一天之后，罐子里的水温将下降至− 10 °C 或− 20 °C（通常情况下水会在0 °C时结冰）。第二天，把罐子从冰箱里拿出来看看——水是变成了固态冰，还是保持液态？图 3：家里的过冷水。(1) 取一个空罐子，装满水，确保里面没有气泡。(2) 将罐子密封好 (3) 放入冰箱冷冻一天。(4) 然后，取出罐子。水是结冰的还是液态的？如果它仍然是液体，你就制得了过冷水！大多数情况下，您会发现水仍然是液态，尽管它已经冷却到低于其冰点 (0 °C) 的温度。在我们的实验中，我们希望将水进一步冷却到− 170 °C 以下，因为在这个温度下它变得平静又稳定。我们还希望避免产生冰晶，因为它们会干扰我们的测量。为此，我们必须使用雅克杜博歇 实验室开发的特殊冷却方法，他与我 (理查德亨德森) 、约阿希姆弗兰克于2017 年共同获得了诺贝尔化学奖。在这种方法中，我们要用到非常冷的液体乙烷或丙烷（天然气中的成分，组成原子只有碳和氢），将乙烷/丙烷液体冷却至− 185 °C，然后我们将一层非常薄的水膜浸入其中，这层水膜在极端时间内——约千分之一秒——迅速冷却，以至于没有时间形成有组织的冰晶，而是保持无序的液态形式 [1]，我们称之为无定形冰。这样，我们就得到了过冷水。热电子和冷样品的神奇组合事实证明，过冷水的薄膜非常适合我们想要用电子显微镜成像的生物分子悬浮在其中。当我们将这个冷却步骤添加到成像过程中时，就是所谓的冷冻电子显微镜技术。冷冻电子显微镜技术使我们能够应对前文提到的两个挑战：一方面它使标本稳定，从而更能抵抗高能电子的破坏，另外，它允许生物分子处于自然的水环境中，避免水蒸发到真空之中。它还有一个更重要的优势：与大多数其他液体不同，水在冷却到 4 °C 以下时会膨胀，这一特性有助于生物分子在过冷水中保持完好。想象一下，如果水在冷却时收缩，它就会挤压甚至破坏要成像的分子。这种相当简单但高效的冷冻电子显微镜成像方法使我们大大提高了生物分子成像的分辨率。这就是它有时被称为“分辨率革命”的原因。图 4：冷冻电子显微镜拍出的图像。(A) 一种称为腺病毒的致病病毒的结构。该图像显示了称为衣壳的外表面，它是包裹病毒遗传物质的蛋白质外壳。颜色代表距球体中心的距离：红色距离中心最远，蓝色距离最近。(B) 一种参与微生物能量产生的酶。颜色代表酶的各个次级结构单元（片段）。(C) 2013 年（左，浅紫色）和 2017 年（右，深紫色）冷冻电子显微镜的分辨率对比。图片来源：(A) 改编自参考文献 [2]；(B) 改编自参考文献 [3]；(C) Martin Hö gbom ，斯德哥尔摩大学，基于 V. Falconieri 的图像。冷冻电子显微镜的未来电子是对生物分子成像的最佳粒子。为了让您了解它们有多好，我们把它们与另外两种常用粒子进行比较：X 射线光子（类似于光子，但波长较短）和中子（一种来自原子核的粒子）。我们可以计算出成像时所获得的结构信息量与该粒子在样本中造成的损害的比值，以此来衡量该粒子的成像效果。根据该标准，电子比 X 射线好 1000 倍，比中子好3倍！这就是我和我的同事多年前开始使用电子而不是其他粒子的原因。如今，冷冻电子显微镜已经获得非常成功的应用，使用它的结构生物学家的数量已经很多了，但还在迅速增加。冷冻电子显微镜仍有很大的改进空间。一是改进电子探测器，它们仍然不够大或效率不够高，使我们实际所用的电子比理论上应使用的电子要多得多。此外，当电子束接触样品时（包括水分子和生物分子），如果能进一步减少样品的运动将会改善成像效果[4, 5] 。我们相信，在大约 5 年的时间里，应对这些挑战将会取得重大进展。届时我们将拥有更强大的工具，让我们更好地理解许多生物学问题，例如生命如何运作以及如何繁殖。我们获得的信息可能有助于我们维护人、动物和植物的健康。我们可以期待冷冻电子显微镜的光明前景！给年轻人的建议我，理查德，想分享一些我在整个职业生涯中遵循的实用建议。这些建议来自1960 年诺贝尔生理学或医学奖得主彼得梅达沃 (Peter Medawar) 的著作。获得诺贝尔奖后，彼得梅达沃出版了《可解的艺术》（The Art of the Soluble）和《寄语青年科学工作者》(Advice to a Young Scientist)两本书。他在书中说，科学和生活中有很多有趣的东西，我们应该对一切事物保持好奇。但我们也应该选择一些我们特别感兴趣的东西来做。此外，他说科学家们应该致力于当前可以被回答的科学问题，而不是 100 年后才能被解决的那一类遥远的问题，因为那已经超出了科学家的一生。他认为科学是可解决的艺术，得专注于可以解决的问题。科学家应该基于现在的技术回答当前可以被回答的问题。我读大学的时候学的是物理，当时，我想知道物理学会走向何方，我记得我列了一个清单，列出了关于未来所有有趣的话题。有聚变研究，涉及从氢聚变中产生无限的能量。然后是高能粒子物理学，这一领域的研究促成了新粒子的发现，包括希格斯玻色子等。还有固体物理学，它推动了计算机工业和微芯片的发展。生物物理学、天体物理学、宇宙学、黑洞和中子星等都是其他有趣的话题。如果我选择其中的任何一个主题来研究，它们都会同样有意思、令人兴奋。所以，如果你决定从事科学，你必须选择你感兴趣的东西，这样你的研究和工作就是自发的，而不是因为受到任何人的强迫。当你有兴趣和上进心时，遇到困难也不太会困扰你——你只会把它当作一个挑战并继续前进。一旦你选择了一个有趣的主题，在你真正朝着那个方向前进之前，最好尽可能多地了解你为研究这个主题可以进行的各种活动。如果经过 6 个月或一年的努力，结果证明你的想法不是很好，请不要犹豫重新思考并寻找新的方向。与过去相比，今天的科学发展非常迅速。仅在 100 年前，我们甚至不知道 X 射线和电子的存在，而现在我们掌握了整个人类基因组的信息，我们拥有处理 DNA 的复杂方法，并且我们几乎可以弄清楚我们想要的任何东西。未来 100 年将是活着的好时机——也是成为科学家的好时机。享受你的生活，把自己投资在你最感兴趣的事情上！作者致谢：感谢 Alex Bernstein 提供插图、Susan Debad 对手稿的编辑。封面图来源：英国医学研究理事会（MRC）分子生物学实验室 via PNAS.

冷冻共聚焦显微镜及其在冷冻电子断层扫描中的价值 Cryo ET（电子断层扫描）是一种专用的透射电子显微镜技术，可以重建观察区域的三维体积。借助先进的冷冻EM（电子显微镜），图像分辨率可以提升到令人难以置信的亚纳米等级。因此，可以在细胞内的原生环境中研究蛋白质以及其他生物分子，从而揭示尚未探明的分子机制。由于细胞和组织必须薄到能够透过电子，样品必须进行切片以获取足够薄的样品体积（薄层）。为对样品中的靶区进行精确的三维定位，冷冻共聚焦显微镜是必不可少的工具。 以下部分，我们将描述冷冻电子断层扫描工作流程的主要步骤，以及如何通过冷冻共聚焦显微镜定位靶区并进行切片，以提高整个工作流程的可靠性。 在EM网格上培养细胞 通常，在涂有多孔碳膜（例如 QuantifoilR）或二氧化硅（SiO2）膜的金质或钛金网格上植入急性分离或培养的细胞（图1，Mahamid等人，2019）在后续步骤中，钛金属和二氧化硅似乎更加坚硬而且稳定，无需额外添加碳层（Toro-Nahuelpan 2019） 网格通过Poly-L-Lysin或纤连蛋白（Fibronectin）实现生物激活，胰蛋白酶解离细胞在前一晚植入，以便在后续步骤中附着在碳层表面（Mahamid等人，2019）。 图1：采用12纳米厚多孔二氧化硅膜（R 1.2/20，即孔径1.2微米，间距20微米）的3毫米EM金质（Au）网格的反射图像拼接图。HeLa细胞已经植入并玻璃化。实心箭头：定位用的中心标记；空心箭头：聚焦离子束进入的切片槽；虚线箭头：空的网格方格。一个网格方格的边长：90微米。 添加微型图案 为进入细胞样品以成功实现FIB切片并在冷冻TEM中开展后续分析，必须确保相关细胞位于网格方格的中心位置或其附近。但细胞喜欢在网格条上生长或者集簇生长，因此不适合进行FIB切片和电子透射分析。为了克服这一挑战，微型图案技术允许用户控制细胞在碳膜（图2）上的位置和分布，提高相关工作流程的可靠性。 网格表面涂有聚乙二醇（PEG），可防止生物材料附着。利用紫外激光移除该涂层，即可对细胞的黏附进行针对性控制，保证FIB切片以及TEM的可操作性（Toro-Nahuelpan 2019）。此外，可以创建特定图案，从而影响整个细胞结构并且有助于使用冷冻电子显微镜研究生物力学现象。 图2：有/无微型图案的细胞分布情况左图：分布不均的细胞（小鼠A9成纤维细胞，使用Alexa Fluor 488 Phalloidin标记，以显示纤维状肌动蛋白）。右图：网格方格中心定位精确的细胞，可进行FIB（成纤维细胞黏附在纤维蛋白原微型图案表面；图片由Alvéole与德国汉堡CSSB中心教授Kay Grünewald博士共同提供。） 投入冷冻 为在固定用于电子显微镜检查的同时确保样品接近原生状态，细胞必须极速冷冻，以免产生破坏性的冰晶。这个过程称为玻璃化，因为冰片变成无结晶的玻璃状（玻璃体） 为让样品细胞达到这种效果，网格必须快速投浸到适当的冷冻剂（通常为乙烷，或者乙烷和丙烷）中。1981年，Jacques Dubochet发表了首个手动吸液和投入冷冻方法，该方法仍获广泛使用以获取出色的结果（Dubochet, J.以及McDowall, A. W.，1981）。 在投入冷冻之前，必须去除多余的液体。标准技术是使用滤纸实现受控吸液（图3，Dubochet, J等人，1982；Bellare等人，1988；Frederik, P. M.等人，1989）。 图3：在投入冷冻前，通过吸液处理对多余液体进行受控移除。使用镊子固定网格，并通过单独步骤将吸液纸移向网格。吸液传感器可以自动并反复执行该过程。 市面上有多种不同的吸液设备，例如用于自动吸液和投入冷冻的Leica EM GP2。根据不同样品类型的多种需求，可以使用多种涉及吸液步骤的样品制备方案（另见此处）。 冷冻状况下的存储、装载和转移 玻璃化之后，样品必须在整个工作流程期间处于冷冻状况下。因此，必须对从存储到转移至不同成像系统的所有步骤进行冷冻处理，以免样品析晶和/或污染这尤其困难，因为这种低温冷冻样品会像磁铁一样吸引附近的湿气和灰尘。研究人员和制造商付出巨大的努力来开发并提供解决方案，以便在工作流程的不同步骤中保证样品安全。 样品通常以四个为一组存储在网格盒内，而网格盒又保存在大型液氮（LN2）罐中的Falcon多孔试管中。还可以使用更为复杂的冰球系统。 转移并装载到样品架时，通常使用液态氮（LN2）。不幸的是，LN2往往会在一段时间后，因为空气中的水分而产生结晶冰污染。在转移时，这些冰晶可能会附着到网格上，干扰随后的切片和成像过程。此外，LN2内部的能见度很低，因为它在不断移动，而且始终会有条纹。 因此，最好在LN2上部的气相部分装载并转移样品以保持冷冻条件，同时为装载步骤（图4）提供出色的可见性。 徕卡显微系统在提供GN2（气态氮）装载和转移设备方面拥有30多年的悠久历史。新的冷冻显微镜套件就在这些经验的基础上开发而成，同时融合众多客户的反馈意见打造出先进的转移舱和夹具系统。 图4：在冷冻显微镜套件转移舱的GN2（气态氮）环境中装载网格。转移舱的可见度在冷冻条件下不受干扰。 检查样品质量和靶分布 在冷冻工作流程中，一般而言，EM操作时间尤其宝贵，因此对样品进行早期质量检查至关重要。许多因素会关系到样品能否转移到下一个工作流程步骤，包括碳箔的结构完整性、玻璃化的质量（包括冰层的厚度及其分布）、目标细胞的存在、分布和可及性，以及目标结构的存在和定位。 所有这些参数均可通过基于相机的冷冻光学显微镜（例如THUNDER Imager EM Cryo-CLEM）或使用STELLARIS冷冻共聚焦显微镜上的相机模式来检查（图5）。 透射模式显示网格、箔膜和细胞质量，反射图像显示网格表面，尤其是呈现玻璃化质量和冰层厚度，而荧光图像可以提供有关不同靶蛋白的表达水平及其分布情况的信息。 图5：不同模式呈现出网格的完整性以及靶分布。A——网格表面的反射图像可以显示碳膜或二氧化硅层的缺陷以及冰层的厚度。B——绿色荧光（线粒体）。C——液滴分布以实现高精度关联D——通过Hoechst标记的细胞核E——所有模式的叠加图像细胞由德国海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL）Mahamid Group的Ievgeniia Zagoriy友情提供。一个网格方格的边长：90微米。 在LAS X Coral Cryo软件工作流程中，用户可以在引导下，通过不同图像模式对整个网格自动创建清晰的合焦概览图像。 标记标志点、薄片点以及液滴中心 为了关联冷冻LM（光学显微镜）的3D图像以及后续的冷冻FIB-SEM/TEM图像，首先需要获取网格的概览图像以便大致对齐两种模式的图像（图6）。这里，反射图像非常重要，因为它们类似于SEM图像，但也可以使用透射图像。中心标记以及其他标志点（例如碳层中的缺陷）有助于快速定位并对齐概览图。 图6：以不同模式获取整个网格的合焦概览图像，用于识别网格缺陷、对齐标记和靶分布。中心标记用实心箭头表示，二氧化硅层中的主要缺陷用空心箭头突出显示。HeLa细胞由德国海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL）Mahamid Group的Ievgeniia Zagoriy友情提供。蓝色 – Hoechst染料，细胞核；绿色 — 线粒体绿色荧光探针，线粒体；红色 - 深红色液滴和Bodipy荧光染料，脂滴。一个网格方格的边长：90微米。完整网格直径：3毫米。 其次，需要超分辨率的共聚焦3D图像。这些图像堆栈用于在潜在薄片位置的范围内执行高精度关联。完成概览图对齐后，可以找到3D共聚焦堆栈的正确位置以便后续进行高精度关联这样做的前提是必须提供图像相对于概览图以及相对于彼此的位置。这就是Coral Cryo软件工作流程之后的处理步骤（图7）。 图7：相机概览图像与共聚焦Z-堆栈相机和共聚焦图像的组合含有XY坐标位置，因此可以匹配。所有图像都包含在Coral Cryo软件工作流程期间创建的相关项目文件夹中。HeLa细胞由德国海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL）Mahamid Group的Ievgeniia Zagoriy友情提供。蓝色 – Hoechst染料，细胞核；绿色 — 线粒体绿色荧光探针，线粒体；红色 - 深红色液滴和Bodipy荧光染料，脂滴。一个网格方格的边长：90微米。完整网格直径：3毫米。 必须组合相机概览图像和超分辨率3D图像以检索靶区位置并在FIB-SEM上定义切片位置。这个步骤非常重要，因为在标准FIB-SEM中，无法看到荧光以及相应的靶区点位。 EM（电子显微镜）制造商近期研发出一种集成了FIB-SEM功能的荧光显微镜，可以作为在切片过程中通过检查荧光来提高工作流程的可靠性和准确性的一种绝佳选择。不过，这些系统并不具备必要的分辨率以及采集模式的灵活性，无法像单独的共聚焦系统那样实现精确的3D定位。 如何关联并检索薄片位置 作为常用的最低标准，研究人员使用LM图像的屏幕截图在EM上检索靶区的XY坐标。不幸的是，并排比较图像不仅费力耗时而且很容易出错，因此并不可靠。身为工作流程提供商，徕卡显微系统致力于通过THUNDER Imager EM Cryo-CLEM来改善这种情况。研究人员可以在图像上定位标志点和靶区标记，然后以开放EM格式的完整坐标集导出。首先，这个流程适用于2D图像，因此合乎逻辑的下一步骤就是提高分辨率并将坐标系扩展到3D坐标。 对于高精度关联和3D定位，目前广泛采用的是基于液滴的方法（Alegretti等人，2020；Klumpe等人，2021年；Bieber, A.，Capitanio, C等人，2021）液滴通常在玻璃化之前添加到细胞中，可在LM和EM中观察到，用于通过XYZ坐标对齐图像堆栈，作为图像数据相关性的基础，从而正确定位FIB切片窗口（图8）。 典型液滴的尺寸为1微米，完全呈球形，这使其中心坐标能够进行亚衍射拟合。通过SEM中的背散射电子，可以更清晰地观察到含有金属的微滴，从而将它们与大小相似的冰晶区分开来。优先选择液滴，使其荧光发射不同于实际靶的荧光发射，以便能够更好地分辨。 图8：3D共聚焦图像（左）和俯视SEM图像（右）的最大投影。荧光液滴（1微米）在两种模式中均可以观察到，因此可以用于对齐数据。SEM图像细胞由德国海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL）Mahamid Group的Herman K. H. Fung和Ievgeniia Zagoriy友情提供。一个网格方格的边长：90微米。 要使用来自冷冻LM和FIB-SEM的3D数据，在冷冻LM的引导下，进行薄片制备，可以使用一款开源软件（3D关联工具箱，简称3DCT，Jan Arnold等人，2016）。 将冷冻LM图像载入到在FIB-SEM上运行的该软件中。二维LM概览图和SEM图像之间的三点关联用于初步定位。之后，使用离子束获取相关视场，并手动点击LM堆栈和FIB图像中的相同液滴图10显示了一张LM图像和一张FIB图像，其中的靶区点位以及液滴可以在定位软件中重现其排列组合。 图9：在LM和FIB图像中关联标记。左图：点击观察结构周围的液滴，并在3D图像中执行质心定义（白圈中的绿点）计算得到的位置随后投影到FIB图像（右图）上根据液滴标记，计算目标结构的位置并标记到FIB图像中（红圈中的红点）。离子束图像由德国海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL）Mahamid Group的Herman K. H. Fung友情提供。比例尺：20微米。 该软件通过对X、Y、Z信号进行高斯拟合，精准确定液滴的中心。近期的改进增加了半自动液滴检测功能以及其他功能，从而更加方便地执行冷冻FIB工作流程。(SerialFIB, Klumpes等人，2021）。 在网格条上选择围绕最终目标结构的几处液滴，作为切片处理的坐标系。基本计算方法是考虑缩放、旋转以及平移之后的线性仿射变换最后，在LM图像中选择目标结构并叠加到FIB图像上。 根据目标结构的位置，就可以定位切片窗口(图10)。 图10：定位切片窗口左：离子束细胞图像，含有标记液滴和目标结构根据目标结构的计算位置，在所用FIB-SEM的切片软件中，交互定位上下切片窗口的位置（细薄条纹上方和下方的红色方块）。图像由德国海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL）Mahamid Group的Herman K. H. Fung友情提供。比例尺：20微米。 Coral Cryo工作流程具有哪些优势？ Coral Cryo软件工作流程旨在为基于液滴的靶区定位工作流程提供支持。它可以提供创建合焦相机概览图像所需的成像作业（图6和图7）。所有必要的自动对焦功能均可以正确调整并分配，并且可以标记潜在薄片位置，同时能够在定义的位置执行超分辨率共聚焦Z-堆栈。 在定位管理器（图11）中，可以确定所有必要的坐标标记，并且以开放格式（*.xml）提供。此类图像会自动保存，其数据格式可以导入任何FIB-SEM软件。 图11：Coral Cryo软件模块标记点、薄片和液滴标记均可以在软件工作流程中定义。反射图像中细胞的顶部和底部坐标值可以作为在FIB SEM中正确计算靶区3D位置的额外参考。本文前述部分图像中的相同细胞经过突出显示，用于标记定义。 对齐标记用于使用相机概览图像对标记点进行初步的粗略对齐。薄片标记具有双重用途：作为进行超分辨率共聚焦3D扫描的位置标记，或者在图像采集后，作为靶结构的精确3D标记。亚像素插值确保该阶段可以在3D图像内进行高精度定位。最后，插值方法还用于标记液滴坐标，以便在FIB-SEM上进行后续液滴关联。 冷冻FIB切片 进行必要的关联并设置切片窗口，薄片位置通常会粗略切薄至大约1微米，随后进行最终的抛光步骤以达到电子透明（图12）。 图12：目标薄片的离子束图像以及SEM俯视图图像由德国海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL）Mahamid Group的Herman K. H. Fung友情提供。比例尺：10微米。 采用两步方法的原因在于冰污染和/或切片材料可能会沉积在薄片上。为避免在最终薄片上发生冰污染，建议采用快速抛光工艺（Schaffer M.等人，2017）。还可以采用开源的商业软件，以自动方式进行切片。 冷冻透射电子显微镜 进行冷冻FIB切片之后，含有薄片的网格转移至冷冻TEM，通过对网格（连同薄片）逐渐倾斜，采集一系列断层扫描图像。图像经过计算处理以重建所记录体积的3D断层扫描图像。通过对样品的多个图像取平均值，可以降低固有噪点，从而对蛋白质或蛋白质复合物等颗粒获得更高分辨率的结构。这种处理方式称为亚断层图像平均（Wan和Briggs，2016；Zhang 2019）。从概念上说，这相当于通过单颗粒成像（SPA），在原位实现对大分子的亚纳米分辨率。 总 结 本文旨在表明冷冻共聚焦显微镜是冷冻工作流程中的一个重要组成部分，用于评估EM网格上玻璃化样品的质量和靶分布。在冷冻条件下记录的高分辨率共聚焦数据使科学家能够在3D荧光下识别目标结构。此外，3D体积可作为相关方法的参考，以便在FIB-SEM中检索靶结构进行切片，然后在冷冻TEM中进行电子断层扫描，以获得靶区的亚纳米分辨率图像。 Coral Cryo工作流程搭配新的共聚焦平台STELLARIS，再加上Coral Cryo软件，可以帮助新手用户创建网格概览图像、超分辨率3D图像以及精确的坐标标记，为后续的FIB切片和冷冻电子断层扫描奠定坚实基础。 参考文献：（上下滑动查看更多） 1.Allegretti M, Zimmerli CE, Rantos V, Wilfling F, Ronchi P, Fung HKH, Lee CW, Hagen W, Turoňová B, Karius K, Börmel M, Zhang X, Müller CW, Schwab Y, Mahamid J, Pfander B, Kosinski J, Beck M.: In-cell architecture of the nuclear pore and snapshots of its turnover. Nature. 2020 Oct 586(7831):796-800. doi: 10.1038/s41586-020-2670-5. Epub 2020 Sep 2. PMID: 32879490. 2.Arnold, J., Mahamid, J., Lucic, V., de Marco, A., Fernandez, J., Laugks, T., Mayer, T., Hyman, A. A., Baumeister, W., Plitzko, J. M., Biophysical Journal, Vol. 110, Feb. 2016, pp 860-869. 3.Bellare, J. R., Davis, H. T., Scriven, L. E. & Talmon, Y.: Controlled environment vitrification system: an improved sample preparation technique. J. Electron Microsc. Tech. 10, 87–111 (1988). 4.Bieber, A., Capitanio, C., Wilfling, F., Plitzko, J., Erdmann, P.S.: Sample Preparation by 3D-Correlative Focused Ion Beam Milling for High-Resolution Cryo--Electron Tomography. J. Vis.Exp. (176), e62886, doi:10.3791/62886 (2021). 5.Dubochet, J. & McDowall, A. W.: Vitrification of pure water for electron microscopy. J. Microsin cryo-electron tomography and subtomogram averaging and classification. Curr Opin Struct Biol. 2019 Oct 58:249-258. Doi: 10.1016/j.sbi.2019.05.021. 相关产品 UC Enuity 超薄切片机 徕卡显微咨询电话：400-630-7761 关于徕卡显微系统 徕卡显微系统的历史最早可追溯到19世纪，作为德国著名的光学制造企业，徕卡显微成像系统拥有170余年显微镜生产历史，逐步发展成为显微成像系统行业的领先的厂商之一。徕卡显微成像系统一贯注重产品研发和最新技术应用，并保证产品质量一直走在显微镜制造行业的前列。

一、项目编号：M4400000707012822001　　二、项目名称：华南师范大学环境学院采购冷冻干燥机等设备项目　　三、采购结果　　合同包1(华南师范大学环境学院采购冷冻干燥机等设备项目):供应商名称供应商地址中标（成交）金额广州科朋科学仪器有限公司新港中路376号604,605室1,466,800.00元　　四、主要标的信息　　合同包1(华南师范大学环境学院采购冷冻干燥机等设备项目):　　货物类（广州科朋科学仪器有限公司）品目号品目名称采购标的品牌规格型号数量（单位）单价(元)总价(元)1-1水质污染防治设备氮气发生器PeakGeniusXE701(台)320,000.00320,000.001-2水质污染防治设备氮气发生器PeakGeniusXE351(台)200,000.00200,000.001-3水质污染防治设备冷冻干燥机ChristBeta 2-8 LSC basic1(台)480,000.00480,000.001-4水质污染防治设备纯水-超纯水系统Merck MilliporeMilli-Q IQ 70001(台)400,000.00400,000.001-5水质污染防治设备马弗炉YamatoFO811C1(台)66,800.0066,800.00

在过去的二十年中，冷冻显微镜方法已经成为生命科学家、制药研究人员等广泛使用的有效工具，用于检查接近其原生状态的生物结构1。冷冻显微镜能够可视化蛋白质和蛋白质复合物等物质的生物分子结构，是对现有的方法如x射线晶体学和核磁共振(NMR)等的有价值的补充。确定蛋白质和蛋白质复合物的结构是药物发现的一个重要部分，这对研究药物靶点非常有意义，也是深入了解疾病机制的重要课题。在这篇文章中，我们将阐述冷冻显微镜技术的使用，包括冷冻光学电子显微镜(cryo-CLEM)，冷冻干燥显微镜(FDM)，药物研究中的低温保存，以及温度控制显微镜如何使研究人员能够在低温下推进药物发现和开发研究。冷冻光学电子显微镜（Cryo-CLEM）电子显微镜(EM)使用微量材料，具备接近原子的分辨率，可以研究不同功能状态下的分子。冷冻电镜（Cryo-EM）使用极低温度，克服了真空条件下使用电子束测量高含水量生物标本的难题。在20世纪80年代冷冻电镜商业化之前，生物标本是通过化学固定或染色等方法制备的，但这些方法存在保存伪影，会影响图像分辨率。快速冷冻通常用于将样品保持在与自然生理环境相似的冷冻状态，在临床前阶段取得的结果必须在临床研究中可复制，这在药物研究中尤其重要。Cryo-CLEM结合低温荧光技术和冷冻电镜技术，提高了活检细胞内生物、化学和遗传过程的灵敏度。Cryo-CLEM能够对冷冻固定样品中的分子或分子组件(如细胞内膜、DNA或细胞结构元件)进行直接荧光标记和靶向，精确定位区域，以便后续使用EM进行高分辨率成像。为了使生物样品与EM中发现的真空条件兼容并保存结构细节，样品被嵌入玻璃状的冰中，需要保持在-140°C以下。必须避免与空气中水分接触，因为一旦接触会形成冰晶并污染样品。在低温条件下，荧光信号的结构细节被保留，光漂白显著减少。冷冻光学电子显微镜技术的进步体现在它包含了创新的冷冻荧光级，如Linkam CMS196，它能够自动获取整个电镜网格的高分辨率荧光图。这也用于样品导航，并将cryo-CLEM的案例情况与EM或与x射线显微镜等其他技术相关联。西班牙巴塞罗那的一组研究人员和临床医生使用荧光显微镜、透射电子显微镜(TEM)和低温软x射线断层扫描(cryo-SXT)，可以观察到抗癌药物顺铂在极低浓度下的有效性，确定产生效果所需的最低剂量，以最大限度地降低毒性2。该小组在荧光显微镜上对低温冷冻的细胞样本进行成像，使用CMS196冷冻荧光台在液氮温度下将它们玻璃化，然后使用cryo-SXT对样本进行分析，这使得在纳米尺度上进行3D研究成为可能。得益于现有的低温成像技术，研究结果表明，三甲碱(研究的两种佐剂之一)促进了顺铂在较低剂量下的有效治疗，这可能为化疗治疗的发展铺平了道路，减少了对患者的副作用。冻干显微镜许多药物生产为冻干或冻干配方，以增加稳定性和延长保质期。药物开发人员必须为新的药物化合物创建一个优化的冷冻干燥过程，这可能是一项复杂而昂贵的工作。为了简化流程和开发更高效的冷冻干燥循环，了解三个主要冷冻干燥步骤的温度和压力要求是很重要的。使用冷冻干燥显微镜(FDM)，研究人员可以直接可视化每个步骤，并确定药物产品在不同热条件下的行为。FDM包括一个专用的光学显微镜和一个专用的热工作台，它可以准确地控制样品的温度和压力，并允许实时进行热测量。冷冻干燥的一个关键参数是塌陷温度(Tc)，即产品失去结构完整性并导致加工缺陷的温度。FDM使药物开发人员能够密切监测样品并快速有效地调整冷冻干燥方案。英国国家生物标准与控制研究所(NIBSC)的一个研究小组正在利用先进的FDM技术研究冷冻干燥药物的复杂性。该小组由Paul Matejtschuk博士领导，正专注于研究优化冻干脂质体药物的配方。由于冻干脂质体药物物理和化学性质不稳定，这对开发提出了挑战。Matejtschuk博士和他的团队使用安装在光学显微镜上的专用冷冻台(FDCS196, Linkam科学仪器)(图1)，通过估计冻结、塌陷和融化温度，预测脂质体-冷冻保护剂混合物的理想的冷冻干燥条件3。图1:NIBSC实验室的仪器配置。Linkam FDCS196冷冻干燥冷冻台，T94控制器和液氮泵，真空泵，奥林巴斯BX51光学显微镜。图像显示FDM系统的旧版本图2: Linkam FDCS196冻干显微镜系统的最新版本这样的实验对于继续努力开发快速、可转移和可扩展的冷冻干燥方法来稳定脂质体等药物化合物至关重要。低温贮藏储存用于研究的生物标本有赖于有效的保存技术，以保持细胞的物理和生物完整性。冷冻或冷冻样品可能会导致冰晶的积聚，导致终端细胞损伤。冷冻保护剂是在冷冻过程中通过降低水的熔点来防止细胞损伤的重要物质。许多生物，如极地昆虫、鱼类和两栖动物，会产生自己的冷冻保护剂或防冻化合物。科学家们正在研究这些化合物，以开发新的冷冻保护剂来保存研究用的细胞。例如，由Matthew Gibson博士领导的英国华威大学的研究人员，正在研究防冻剂(糖)蛋白(AFP)，目的是开发新的合成AFP模拟化合物。该实验室使用低温生物学工作台(BCS196，Linkam Scientific Instruments)来测量细胞中的冰晶生长，依靠该仪器的温度控制能力来观察AFP。Gibson博士研究了使用金纳米颗粒作为探针来测量冰再结晶抑制活性现象，使用低温生物学工作台来改变温度，并开发出一种高通量方法来筛选类似AFP具有结构特征的材料。4诸如此类的发现为开发新型冷冻保护剂提供了潜力，这种保护剂可以防止冷冻保存细胞中冰的生长，从而保持细胞的完整性，因此在生物医学和药学研究中具有潜在用途。未来药物研究本文中描述的技术强调了目前已有的各种冷冻显微镜方法的选择，这些方法有助于推进药物研究。Cryo-CLEM结合了cryo-EM和低温荧光的力量，作为一种相对较新的技术，它的成功依赖于专用冷冻工作台的发展，从而促进了Cryo-CLEM工作流程。这种工作台能够在液氮温度下保持玻璃化样品，使它们在从荧光显微镜移动到冷冻电镜成像时保持无污染。其他专用的冷冻台可与广泛的显微镜技术兼容，如FDM，可在成像过程中精确控制样品的温度，低至-196°C。这些创新为制药研究人员新疗法和生产工艺评估，以及生物样本保存以供未来研究等大量应用提供了工具。 作者：Linkam Scientific Instruments销售及市场部经理Clara Ko参考文献：1. Booy, F. and Orlova, E.V. Cryomicroscopy, in: Chemical Biology: Applications and Techniques (eds Larijani, B., Rosser, C.A., and Woscholski, R.) 2007.2. Gil, S., Solano, E., Martinez-Trucharte, F., et al. Multiparametric analysis of the3. effectiveness of cisplatin on cutaneous squamous carcinoma cells using two different types of adjuvants. PLoS ONE. 2020 15(3): e0230022.4. Hussain M.T., Forbes N., Perrie Y., Malik K.P., Duru C. and Matejtschuk P. Freeze-drying cycle optimization for the rapid preservation of protein-loaded liposomal formulations. International Journal of Pharmaceutics 573, 2020 118722.5. Mitchell, D. E., Congdon, T., Rodger, A., and Gibson, M. I. Gold Nanoparticle Aggregation as a Probe of Antifreeze (Glyco) Protein-Inspired Ice Recrystallization Inhibition and Identification of New IRI Active Macromolecules. Scientific Reports, 2015 5: 15716.

童艳丽今年的华东电镜会比以往时候来得更晚一些，经历了漫长的等待，终于10月23日在美丽的宜兴市东氿湖畔举行。会上徕卡纳米技术产品经理童艳丽以《连接即未来 徕卡真空冷冻传输系统》为题做了一个专题报告。报告结束后，老师们对此显示出浓厚的兴趣，纷纷前往展台咨询。徕卡真空冷冻传输系统之核心部分EM VCT500设计理念及其在冷冻扫描电镜，冷冻FIB，真空传输等三个应用方向的相关制样流程及应用实例。徕卡EM VCT500样品传输杆是真空冷冻传输系统的核心，它可以与徕卡各种电镜制样设备相连接，依据样品应用需求实现各种方式样品制备；另一方面，它可以与各种外部设备/分析仪器相连接，依据样品应用需求实现各种方式分析检测。 徕卡EM VCT500样品传输杆是一款货真价实的真空冷冻传输系统，可以长时间保持高真空和低温，并且通过一系列紧密的内部硬件设计及图形化操作界面，实现用户直觉化操作，轻松实现真空冷冻传输。 Cryo-SEM应用方向一个经典制样流程： 如需了解更多详情，可咨询徕卡客户服务热线：400-630-7761.

蜀科仪器密切关注青岛政府常务会议，青岛市长张新起主持召开市政府常务会议，通过了《青岛市促进大型科学仪器共享管理办法》，会议制定《青岛市促进大型科学仪器共享管理办法》，对于加快科技资源共享平台建设，促进大型科学仪器设施资源的共享和优化配置，充分发挥大型科学仪器设施效益，提高我市整体科技创新能力，具有积极作用。会议要求，要积极发挥政策引导作用，突出统筹协调，加强科学管理，建立有利于促进大型科学仪器共享的激励约束机制，完善共享服务评价体系，调动各方面积极性，切实提高仪器共享服务工作质量与实效。因为冷冻离心机是科学仪器分析前处理最重要的分离产品，所以此次会议对于冷冻离心机市场至关重要，蜀科仪器提供最好的产品为科学仪器行业做出一份贡献。

p 　　据多家媒体报道，近日深圳国家感染性疾病临床医学研究中心/南方科技大学第二附属医院(深圳市第三人民医院)与南方科技大学联合，从临床新冠肺炎病例获取生物样本，首次使用冷冻电子显微镜观察到了新冠病毒经灭活后的真实形貌，为新冠病毒的识别、鉴定和临床相关研究提供重要的超微影像基础。该成果于当地时间3月5日发布在生物领域最大的预印本发行服务BioRxiv上。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 438px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/e56da9e8-77a3-4141-8baa-f58fd3a4ccf4.jpg" title=" 微信图片_20200306161804.png" alt=" 微信图片_20200306161804.png" width=" 600" height=" 438" border=" 0" vspace=" 0" / /p p 　　据介绍，联合研究团队依托深圳市第三人民医院生物安全III级实验室条件，在1月27日从1名新冠患者肺泡灌洗液中分离出病毒株，并迅速完成基因组测序和鉴定，及时向全球流感信息共享平台(GISAID注册编号：EPI_ISL_406594)注册共享信息，把其命名为“BetaCoV/Shenzhen/SZTH-003/2020”的新冠毒株。随后进一步完善了实验室病毒扩增、纯化及灭活技术，并综合应用间接免疫荧光法 (IFA)、酶联免疫吸附试验(ELISA)、和基因组序列与谱系分析多种方案核实和确认灭活的新冠病毒。 /p p 　　随后，南方科技大学冷冻电子显微镜中心的专家，利用冷冻电子显微镜分析技术，不仅首次观察到了真实的新冠病毒经灭活后的形貌，并且捕捉到了该病毒侵染宿主细胞中的一个重要中间状态。此时病毒正处于识别和附着宿主细胞后，准备与细胞发生融合的时期。经国内外文献检索，这是新冠肺炎疫情爆发以来，科研工作者首次在冷冻电子显微镜下观察到新冠病毒全病毒的真实形貌。据悉，联合研究团队现正在进一步揭示新冠病毒超微结构、病毒侵染人类宿主细胞的特性、与新冠肺炎临床预后关系。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 402px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/3d5dc27d-3b21-4a28-85f0-29045869d5d8.jpg" title=" 微信图片_20200306162052.png" alt=" 微信图片_20200306162052.png" width=" 600" height=" 402" border=" 0" vspace=" 0" / /p p 　　目前，在深圳市的大力支持下，联合研究团队正在打造高等级生物安全临床冷冻电子显微镜研究平台，全力推进新冠病毒以及其他致命性病毒的超微结构生物学研究，为传染病病原鉴定、公共卫生突发事件防控和潜在的抗体、疫苗和新药研发提供坚实的科学基础。 /p p br/ /p

p 　　4月26日，清华大学生命学院、清华 - 北大生命科学联合中心、北京市结构生物学高精尖创新中心王宏伟教授研究组在《细胞》(Cell)期刊 发表了题为《人源核酸内切酶 Dicer 蛋白与 Dicer-pre-miRNA 复合体的冷冻电镜结构》(Cryo-EM structure of human Dicer and its complexes with a pre-miRNA substrate)的研究论文，首次报道了人源核酸内切酶 Dicer 蛋白的全长高分辨率结构，同时还报道了人源核酸内切酶 Dicer 蛋白结合一种小 RNA 前体 pre-let- 7 底物的两种不同结构状态。 /p p 　　RNA 干扰(RNAi, RNA interference)是敲低一个基因表达的最为常用的一种手段。内源性引起 RNA 干扰的小 RNA 主要是微小 RNA (miRNA)。 到目前为止，人体内已经发现多达 1800 种微小 RNA，越来越多的文献报道认为很多肿瘤的发生发展、转移等行为与微小 RNA 的异常表达密切相关。 /p p 　　人体内绝大部分微小 RNA 成熟形成都离不开一种核酸内切酶，我们称之为 Dicer 的蛋白。有趣的是人体内只有一个拷贝的核酸内切酶 Dicer 基因, 表达唯一的一种人源核酸内切酶 Dicer 蛋白，然而却负责人体内绝大部分微小 RNA 的形成。因此，核酸内切酶 Dicer 蛋白在人体细胞中的重要性不言而喻。核酸内切酶 Dicer 蛋白是一种只切割双链 RNA 底物的内切酶，分子量大小约为 220 kDa，有多个结构域组成。其中有的结构域负责结合 RNA 底物，有些结构域负责切割 RNA 底物，还有些结构域就像一把尺子，精确测量出 RNA 需要被切割的位置。人源核酸内切酶 Dicer 蛋白能够识别细胞内众多不同的微小 RNA 前体底物，然后加工生成具有共同特征的长度约为 22 碱基和 3& #39 末端有两个游离碱基的成熟小 RNA。 /p p 　　遗憾的是, 人源核酸内切酶 Dicer 蛋白的整体三维结构一直没有得到解析， 人源核酸内切酶 Dicer 蛋白是如何精确加工这些微小 RNA 前体的机制至今仍然不清晰。人源核酸内切酶 Dicer 蛋白一直没有获得高分辨率三维结构的主要原因有几点：1、人源核酸内切酶 Dicer 蛋白约为 220 kDa，对于运用晶体学来获得三维结构来说，分子量比较大，很难结晶 2、对于运用单颗粒重构的方法来获得高分辨率三维结构来说，其分子量又相对较小 3、核酸内切酶 Dicer 蛋白三维结构呈 L 型，没有对称性，在冰中分布多为长条型，衬度低，分布不均匀，有优势取向，对单颗粒三维重构形成了很大的技术障碍。 /p p 　　过去十年的时间里，王宏伟以及其他课题组都尝试运用单颗粒电镜的方法去解析人源核酸内切酶 Dicer 蛋白的三维结构。经过不断地摸索，研究组解决了蛋白质样本准备、冷冻样本制备、数据收集及处理等多方面的技术难题，最终采用从哺乳动物 293F 细胞系中共表达蛋白复合体，亲和层析分离纯化蛋白质，采用纯金或者镀金载网制备出了分布较为均一、优势取向相对较少的冷冻电镜样品，并获得获得了人源 Dicer 及其辅因子蛋白 TRBP 复合体的高分辨率三维结构(4.4 埃)(图 1)，首次解析了人源核酸内切酶 Dicer 蛋白的高分辨率整体结构，看到了核酸内切酶 Dicer 蛋白中各结构域的精确三维分布及结构域之间的空间关系。 /p p style=" text-align: center" img style=" width: 450px height: 228px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/5bfa629d-b6df-4ffe-ad84-f53dedc3fd4b.jpg" title=" 02.jpg" height=" 228" hspace=" 0" border=" 0" vspace=" 0" width=" 450" / /p p style=" text-align: center " strong 图 1. 冷冻电镜解析获得的人源 Dicer-TRBP 复合体 (TRBP 是一种 RNA 结合蛋白) 高分辨率结构及其结构域分布 /strong /p p 　　为了更进一步了解人源核酸内切酶 Dicer 蛋白是怎样加工微小 RNA 前体的过程，王宏伟研究组通过体外重组的方法获得了人源 Dicer-TRBP 复合体与一种微小 RNA 的前体 pre-let- 7 所形成的三元复合体，并解析了该复合体的两种三维结构状态。一种是 pre-let- 7 的茎部呈完全互补结构(hDicer-TRBP-pre-let-7 complex class I)，另一种是 pre-let- 7 的茎部呈部分解离的状态(hDicer-TRBP-pre-let-7 complex class II)(图 2)。王宏伟研究组与清华大学张强锋研究组合作，通过化学修饰测序(icSHAPE)、核糖核酸酶酶切、测序胶电泳等技术，发现 pre-let- 7 在溶液中呈动态的构象平衡，一部分 pre-let- 7 的茎部是完全配对的双链螺旋结构，也有一部分 pre-let- 7 的茎部是呈部分解离的状态。深入的研究表明人源 Dicer 蛋白与 TRBP 形成的复合体与 pre-let- 7 结合可以促进该 RNA 向茎部完全配对的双链螺旋结构转换，确保其茎部在被 Dicer 蛋白切割前的构象均一性，从而保证微小 RNA 产物的精确长度。正是这个机制有可能保证了人源 Dicer 蛋白精确地将众多结构特征不同的微小 RNA 前体切割成具有共同的 22nt 长度的产物。这项工作为进一步解析微小 RNA 的成熟机制奠定了基础。 /p p style=" text-align: center" img style=" width: 450px height: 232px " src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/06e44afa-a813-46e0-a6cd-89e2c52e89cb.jpg" title=" 03.jpg" height=" 232" hspace=" 0" border=" 0" vspace=" 0" width=" 450" / /p p style=" text-align: center " strong 图 2. 两种 hDicer-TRBP-pre-let- 7 复合体的冷冻电镜结构 /strong /p p 　　在本工作中，王宏伟研究组成员，清华大学生命学院博士后刘忠民、王家、2015 级博士生程航、2015 级博士生柯鑫为共同第一作者，王宏伟教授为本文的通讯作者。另外，清华大学生命学院张强锋教授，生命中心 2013 级孙磊博士开展了 icSHAPE 的实验，为本工作提供了重要的实验证据。本研究获得了清华大学冷冻电镜平台、高性能计算平台和蛋白质分离纯化与鉴定平台的支持，数据处理在国家蛋白质科学(北京)设施清华大学高性能计算平台上进行。 /p p 　　本工作获得了国家自然科学基金委、科技部、北京市科委、生命科学联合中心和北京市结构生物学高精尖创新中心等的大力支持。 /p