原位冷冻电学样品杆系统

仪器信息网讯 2015年5月29日-6月2日，&ldquo 2015全国生物医学农林电镜技术研讨会暨生物电镜前沿技术培训班&rdquo 在浙江大学举行。本次会议特别邀请了国内外知名专家教授和电镜工作者讲授生物电子显微镜技术的最新发展，交流生物样品制备和应用方面的技术经验，并安排部分学员参加实验操作及演示。 　　上海同济大学生命科学学院祝建教授作了题为&ldquo 关于原位冷冻电镜技术的一点想法&rdquo 的报告。 祝建教授 　　祝建介绍说：&ldquo 冷冻电镜技术可以分为单颗粒冷冻电镜技术和原位冷冻电镜技术。其中单颗粒冷冻电镜技术目前国际上做了许多工作，近来也比较火。近年来，我国为了开展这方面工作，购置了许多相关的高端仪器设备。该技术需要将细胞内的活性蛋白分子提纯后在体外分析，但是在体外做的不错的结构最终还需要到体内去验证，如在体内蛋白质是否也是按照相应的结构来执行功能。所以这方面的工作还需要进一步深入。&rdquo 　　祝建表示，原位冷冻电镜的最终目的是研究大分子的结构、功能和机制统一的问题，从而解释生命现象。原位冷冻电镜技术包括冷冻固定、超薄切片，再加上电镜分析、数据采集、三维重构等。冷冻固定可以分为快速冷冻和高压冷冻。高压冷冻技术就是为了使组织的冷冻成为可能而问世，可以冷冻200&mu m厚的样品。而快速冷冻技术只能冷冻30&mu m厚的单细胞层。从冷冻速度来看，快速冷冻的速度稍快一些。 　　祝建说：&ldquo 目前，国内购买了多台高压冷冻仪。其实并不是所有的样品都适合高压冷冻，大组织块、一定厚度的样品用高压冷冻最好，其他的单细胞样品用快速冷冻一样能达到很好的效果，而且快速冷冻技术更简便。&rdquo 　　&ldquo 冷冻固定之后，如果在冷冻电镜下分析需要与冷冻超薄切片技术相结合。如果在常温电镜下分析，则还需要冷冻置换、包埋、切片等步骤，现在买高压冷冻仪的单位基本都是要和冷冻置换结合起来。冷冻置换是冷冻固定之后非常必要的低温脱水技术，脱水过程中脱水剂中所含有的固定成分还将在合适的低温温度下对样品进行二次固定。如果要减少样品收缩，则需要快速冷冻固定，慢慢脱水。&rdquo 祝建说道。 　　另外，祝建还谈道：&ldquo 原位分析的另外一种途径是标记，通过标记实现定位、定性、定量分析。因为我们无法看到一些结构细节和大分子，所以用抗体来标记连接我们能看到的荧光分子或金颗粒来实现间接原位分析。&rdquo 　　最后，祝建总结说，在实际应用中，要根据样品的特点，从快速冷冻、高压冷冻、冷冻置换、超薄切片、冷冻超薄切片、离子束切片等制样技术中选择合适的组合方法来制样。还有我们要考虑将原位冷冻电镜与单颗粒冷冻电镜结合起来获取有效的分析结果。 撰稿：秦丽娟

两亲分子在选择性溶剂中发生自组装，可形成多种高级结构。在生物系统中，两亲分子的组装形成细胞膜，运输载体和反应容器，其具有精确控制的尺寸和含量。在合成系统中，表面活性剂，磷脂和嵌段共聚物形成各种两亲性结构，例如胶束，囊泡，环形和双连续结构，其可用于生物医学，食品科学，分离科学和模板合成等。为了设计特定的结构，并实现一般在自然界中观察到的精确控制，需要了解组装过程的热力学和动力学过程。尽管之前的研究做出了重大努力，两亲自组装结构演化的分子机制仍未完全解决，特别是在控制失衡-平衡途径方面。两亲性自组装结构可以通过自上而下或自下而上的方法制备。对于嵌段共聚物体系的自下而上组装而言，其自组装过程的第一步一般是球形胶束的形成，其可以稳定或转化成其他结构，例如圆柱体或囊泡。众所周知，在特定条件下，均聚物溶液可以进行液 - 液相分离，由旋节线分解过程形成富含聚合物的液滴。Sato和Takahashi理论上描述了在弱两亲性条件下两亲共聚物体系中如何发生相分离，但对于其他两亲性过程中的相分离过程并未进行讨论和验证。近日，来自荷兰Eindhoven University of Technology的吴杭隆和Alessandro Ianiro等人于Nature Chemistry杂志上发表了题为“Liquid–liquid phase separation during amphiphilic self-assembly”的文章，文中作者利用DENSsolutions 原位液体样品杆结合透射电镜首次直接观察到囊泡的形成过程，显示了液体前体相的形成并揭示了相分离在囊泡形成过程中的作用，对Sato和Takahashi的理论框架进行了修正，证明相分离应该在各种两亲系统的自下而上自组装过程中发生。对于高分子材料而言，因其不耐受电子束辐照，对于这类材料以往均是采用冷冻电镜进行表征，本文中作者利用DENSsolutions的原位液体杆结合普通透射电镜进行实验，得到了与冷冻电镜相比，分辨率仍然很好的照片，同时还可以观察到原位过程。这对于很多仅可以使用冷冻电镜完成的实验提供了新的实验思路。

中国科学技术大学、中国科学院深圳先进技术研究院双聘教授毕国强团队，与美国加州大学洛杉矶分校周正洪教授合作，开发了一套基于深度学习的cryoET数据处理算法和软件IsoNet,有效解决了cryoET成像中的缺失锥效应和低信噪比问题，相关研究成果以Isotropic reconstruction for electron tomography with deep learning为题于2022年10月29日发表在Nature communications.研究人员搭建了一套迭代优化的自监督深度学习人工网络算法，并以旋转处理后的cryoET断层三维重构数据自身为训练集，实现了对cryoET断层三维重构数据的缺失锥矫正。同时，在IsoNet算法的流程中，加入降噪过程，使得同一个人工神经网络可以同时对断层三维重构数据进行缺失信息补全和降噪处理。图1.基于深度学习进行cryoET成像数据缺失锥矫正与降噪的基本原理与流程利用IsoNet算法对模拟缺失锥的铁蛋白(apoferritin)与核糖体(ribosome)的三维结构分别进行处理，处理后的结果能够与低分辨的原子模型相媲美。同时对真实的HIV病毒粒子（immatureHIVcapsid）、副鞭毛杆（the paraflagellar rod）以及培养神经细胞中突触（neuronalsynapse）的断层三维重构数据进行处理，均得到了非常好的效果。尤其值得关注的是，在利用IsoNet算法对神经突触这种典型包含大量蛋白、膜性细胞器与细胞骨架等复杂结构的细胞水平厚样品的断层三维重构图像进行处理后，突触中囊泡、线粒体、微管、微丝、细胞膜以及蛋白复合物的三维结构信息均得到了很好的恢复。图2.利用IsoNet算法对神经突触cryoET三维重构数据进行处理前、后的效果，以及对IsoNet算法处理后神经突触中超微结构基于真实电子密度的三维可视化渲染IsoNet算法在预印本bioRxiv公布后，引起了领域内的广泛关注与深入讨论，其中一个重点是IsoNet算法是如何实现缺失锥矫正的？一种主要推测是，人工神经网络在训练过程中，能够学习到蛋白质等生物结构在三维空间中不同角度的结构特征，并将这些信息补充到缺失锥方向，类似于单颗粒冷冻电镜三维平均。因此通过不断优化人工神经网络架构、扩大训练样本集等手段，IsoNet算法将能够实现对细胞中每个蛋白分子的高分辨三维结构信息进行恢复，从而为真正实现可视化细胞原位每个蛋白分子的高分辨三维结构与组织分布奠定了基础。正如领域内专家Dimitry Tegunov等人在推特上评价认为，IsoNet算法的思路将是cryoET技术的未来发展方向。本论文的第一作者为中国科学技术大学博士生刘云涛（现美国加州大学洛杉矶分校博士后）和2018级本科生张恒（现北京大学研究生），通讯作者为毕国强教授和周正洪教授。中科院深圳先进技术研究院副研究员陶长路博士、美国加州大学洛杉矶分校博士生王辉也参与了本文的工作。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院先导专项的资助。

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。

2021年7月8日，国际结构生物学领域权威期刊《Journal of Structural Biology》在线发表了由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孙飞研究组合作的技术创新成果《VHUT-cryo-FIB, a method to fabricate frozen hydrated lamellae from tissue specimens for in situ cryo-electron tomography》，针对组织样品原位结构生物学研究的技术瓶颈开发了组织样品冷冻含水切片制备技术VHUT-cryo-FIB，这是该中心在2016年开发的细胞样品冷冻含水切片制备技术（Journal Structural Biology, 2016，194：218-222）后的又一技术创新，将原位结构生物学的研究对象从单细胞拓展到更接近于生理状态的组织样品。　　冷冻电子断层成像技术（cryo-electron tomography，cryo-ET）是一项重要的冷冻电镜技术，可以获得细胞和组织样品原位三维高分辨率超微结构、生物大分子的原位结构信息以及蛋白质机器原位相互作用信息。该技术被认为是分子生物学和细胞生物学联结的桥梁，被称为"可视化蛋白质组学"。然而该技术要求样品的厚度必须在300nm以下，获取高分辨率信息则需要更薄的样品（150nm以下），但是大多数生物样品厚度都在数微米以上，无法直接应用该技术进行研究。此外，为了研究生物组织样品更接近生理状态的结构，通常需要利用高压冷冻技术对生物组织样品进行冷冻固定，但是高压冷冻后的样品厚度一般都在100μm以上，如何制备出适合冷冻电子断层成像技术研究的高质量的生物组织样品切片是原位结构生物学领域面临的一个重要技术问题。　　本项技术研究基于最新的冷冻聚焦离子束技术（cryo-FIB），设计和研制了一套冷冻传输硬件，有效将振颤切片技术、高压冷冻技术、冷冻修块技术和冷冻聚焦离子束减薄技术结合起来，创新冷冻聚焦离子束切割工艺，形成了一套完整高效的组织样品冷冻含水切片制备技术流程VHUT-cryo-FIB。利用该技术流程可以高效制备出厚度在150-300nm之间的组织样品冷冻含水切片。本研究中应用VHUT-cryo-FIB方法分别制备了菠菜叶片、小鼠骨骼肌、肝脏和心肌的冷冻含水切片，并成功解析了菠菜胞质核糖体（34 Å）和小鼠肝脏胞质核糖体（18 Å）的原位三维结构（图1）。这些结果证明VHUT-cryo-FIB方法可以广泛应用于各种生物组织样品的冷冻含水切片制备，为原位结构生物学研究提供有力的样品制备方法。　　孙飞研究员为该论文的通讯作者，高级工程师张建国、孙飞研究组张丹阳博士（已毕业）和高级工程师孙磊为共同第一作者。蛋白质科学研究平台生物成像中心的多位工程师季刚、黄小俊、牛彤欣为该项成果贡献了力量，徐伟研究员为实验的设计和方向提供建议。北京大学生命科学学院的高宁教授和马成英博士在小鼠肝脏核糖体数据分析方面给予了帮助。　　该工作受到国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、北京市科委等的资助。图1. Cryo-FIB方法制备的冷冻含水切片样品，Cryo-ET 方法解析菠菜叶片和小鼠肝样品中核糖体三维结构。a菠菜叶片重构后的细胞内部结构，其超微结构包括细胞壁、细胞质、叶绿体、囊泡、核糖体和基粒。b三维渲染后的图a，黄色,核糖体 淡粉色，细胞壁 橙色,细胞膜 紫色,囊泡 绿色,叶绿体膜 青色, 叶绿体基质。菠菜核糖体的原位结构，大亚基蓝色的，小亚基黄色。c Subtomo average得到小鼠肝脏核糖体的原位结构(左)，与通过单粒子重构得到小鼠胞质核糖体密度图(右)。d小鼠肝脏核糖体原位结构密度图，大亚基和小亚基分别为蓝色和黄色。红色(P/E位点)和紫色(A/P位点)显示了两个tRNAs。Scale bar:150nm。　　文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S104784772100068X?dgcid=coauthor#s0075

p strong 仪器信息网讯 /strong 　第六届全国冷冻电子显微学与结构生物学专题研讨会在北京隆重召开，研讨会由中国生物物理学会冷冻电子显微学分会(以下简称：中国冷冻电镜分会)主办，北京大学承办，中国电子显微镜学会低温电镜专业委员会协办。19日下午，“细胞器、亚细胞及原位结构生物学研究”作为大会三大专题之一，在中科院生物物理所孙飞研究员主持下，顺利召开。会议围绕“细胞器、亚细胞及原位结构生物学研究”共安排了6个专题报告，吸引了来自海内外400多名代表与会。 /p p style=" text-align: center " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201906/uepic/6d2dd523-e8dd-419b-b1a2-47d32db518f5.jpg" title=" 全景小.jpg" alt=" 全景小.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　研讨会现场 /p p 　　中国科学技术大学毕国强作《Structure and mesophasic organization of GABAA receptors in situ revealed by cryo electron tomography》报告，分享在A型γ-氨基丁酸受体(GABAARs)的原位结构和组织研究方面的成果。毕国强用高分辨率冷冻电子断层扫描(Cryo-CLEM)，确定了GABAARs在培养的海马神经元的抑制性突触中的结构。定位分析显示，GABAARs超复合物具有固定的11nm受体间距离但相对角度可变。这些超级复合物形成多受体网络，与随机分布的受体相比具有更低的Voronoi熵。受体网络进一步组织成具有~18nm的相界的中间组件。这种分层的自组织既保持规律性又灵活性，从而可以在突触信息处理中实现平衡的可靠性和可塑性。 /p p style=" text-align: center " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 283px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201906/uepic/26ffc5a5-9914-4e50-a103-e06077a70894.jpg" title=" 毕国强.jpg" alt=" 毕国强.jpg" width=" 450" vspace=" 0" height=" 283" border=" 0" / /p p style=" text-align: center " 　　毕国强作《Structure and mesophasic organization of GABAA receptors in situ revealed by cryo electron tomography》报告 /p p 　　染色质结构的高度动态变化在基因转录调控过程中起重要作用，并受多种表观遗传调控因子，如DNA 的甲基化、组蛋白的化学共价修饰、组蛋白变体置换、染色质结构蛋白的动态结合、ATP 依赖的染色质重塑以及非编码RNA 等的调控。中国科学院生物物理研究所朱平的《细胞核内染色质的电镜结构研究》报告介绍了利用冷冻切片、电镜和电子断层成像、CLEM等技术，在体外组装的染色质纤维纤维结构、以及用不同方法制备的细胞核内染色质结构研究的一些初步结果。 /p p style=" text-align: center " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 283px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201906/uepic/4ed382f4-dba9-497e-ad1b-0a2ccab43a89.jpg" title=" 朱平.jpg" alt=" 朱平.jpg" width=" 450" vspace=" 0" height=" 283" border=" 0" / /p p style=" text-align: center " 　　朱平作《细胞核内染色质的电镜结构研究》报告 /p p 　　中国科学院生物物理研究所纪伟作《Three-dimensional super-resolution protein localization correlated with vitrified cellular context》报告。报告内容中展示了所开发的冷冻和干涉单分子定位成像技术、冷冻超分辨光电融合成像技术。展示了使用csCLEM(cryogenic super-resolution correlative light and electron microscopy)精确确定蛋白质与其天然细胞结构之间的空间关系的研究过程和成果。在构建冷冻超分辨成像系统时，发现几种荧光蛋白(FP)是光可切换的并且发射更多的光子，可以得到更高的、与超分辨率成像相当的定位精度。引入冷冻切片，将csCLEM扩展到哺乳动物细胞，并观察到线粒体蛋白与线粒体外膜在三维纳米分辨率下的良好相关性。纪伟分享了最新工作进展，借助新设计的超稳定冷台，将冷冻超分辨成像系统升级为超稳定的超分辨荧光冷冻显微镜。该冷冻显微镜具有出色的热稳定性和机械稳定性，10小时内的温度波动小于0.1K，并且在5小时内三维机械漂移小于200nm。报告中的应用实例表明，超分辨荧光冷冻显微镜系统适合长时间观察和csCLEM实验。 /p p style=" text-align: center " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 283px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201906/uepic/76fdeaad-1028-4e9b-a7bb-b3164af3baac.jpg" title=" 纪伟.jpg" alt=" 纪伟.jpg" width=" 450" vspace=" 0" height=" 283" border=" 0" / /p p style=" text-align: center " 　　纪伟作《Three-dimensional super-resolution protein localization correlated with vitrified cellular context》报告 /p p 　　此外还有，生物化学与细胞生物学研究所何勇宁作《Architecture of cell–cell adhesion revealed by electron microscopy》报告，北京生命科学研究所何万中作《Direct synthesis of EM-visible gold nanoparticles on genetically encoded tags for single-molecule visualization in cells》报告，清华大学李赛作《Three-dimensional imaging by Cryoelectron tomography and subtomogram averaging at sub-nanometer resolution》报告。虽然是研讨会的最后一场，但全场观众依然聚精会神，台上台下展开了热烈交流。 /p p 　　会议期间，借助冷餐会及会议间隙，特别设立了Poster交流环节，并在19日现场颁发了Poster奖。清华大学田元元、北京大学程稼萱、中国生物物理所吴春玲、浙江大学黄子惠、清华大学徐魁、中山大学邵千芊、中国生物物理所黄小俊、北京大学康云路获得Poster奖。 /p p style=" text-align: center " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201906/uepic/ea3738f8-7e43-4327-9700-90aaccbf460a.jpg" title=" poster.jpg" alt=" poster.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　孙飞教授、高宁教授与Poster奖获得者合影留念 /p p br/ /p

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

近日，Structure在线发表了中国科学院生物物理研究所章新政课题组完成的研究论文(Addressing Compressive Deformation of Proteins Embedded in Crystalline Ice)。该研究发现了晶态冰包埋的冷冻电镜样品会产生收缩形变，且形变随降温速率的增加而减少，并从晶态冰形成的降温速率出发发展了新型的无收缩形变的立方晶系晶态冰样品制备方法。 　　该工作发现结构无损的立方晶系晶态冰样品不仅消除了电子束诱导的快速漂移现象，而且显示出明显优于普通冷冻电镜玻璃态冰样品的数据质量，进一步为冷冻电镜实现原子分辨率奠定了基础。 　　大量实验数据证明，低降温速率制备的冷冻电镜样品有助于恢复数据采集时样品的束诱导漂移，但降温速率过低经常导致晶态冰的形成。传统认为晶态冰在生物样品冷冻过程中会对其结构造成破坏，故在冷冻电镜样品制备过程中一直避免使用。晶态冰的形成具体对蛋白质产生了什么破坏尚不清楚。 　　课题组系统性地将蛋白质在不同条件下包埋在晶态冰中，并通过冷冻电镜技术解析了晶态冰中的蛋白质三维结构。研究发现，在低降温速率形成的晶态冰中，蛋白质结构会产生收缩形变(图a)，且收缩量和蛋白质本身性质相关，越为刚性的蛋白质收缩量越小。另外，在一些蛋白质柔性区域，低降温速率晶态冰中的蛋白质存在密度畸变的问题(图a)。同时，二者随着晶态冰降温速率的增加显著变小，甚至无法探测(图b)。基于上述发现，研究发展了结构无损的立方晶系晶态冰样品的制备方法。通过该方法制备得到的晶态冰样品，其三维重构和玻璃态冰样品一致，不会对蛋白质结构造成可检测的破坏，且成像质量显著提高，不仅没有束诱导漂移(图c)，而且显著提高蛋白样品的分辨率。同样条件下，B-因子反映了样品的信噪比(图d)，人源去铁-铁蛋白晶态冰样品的B因子显著好于玻璃态冰样品。此外，在醛缩酶和谷氨酸脱氢酶上B因子也获得显著提升。 　　研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院战略性先导科技专项(B类)和中科院前沿科学重点研究计划的支持。冷冻电镜晶态冰样品性质。a、与玻璃态病毒样颗粒(VLP)样品(粉色)相比晶态冰样品(绿色)产生收缩形变，且严重形变时密度图出现断裂。b、提高降温速率，晶态冰样品的收缩形变减弱。c、在人源去铁-铁蛋白，醛缩酶和谷氨酸脱氢酶上，晶态冰样品恢复束诱导的快速漂移，前几帧样品分辨率明显恢复。d、B因子曲线斜率越大代表数据质量越好。与玻璃态冰样品(蓝色)相比，人源去铁-铁蛋白晶态冰样品(红色)有更好的B因子，展现出更高的数据质量。

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。

如果要问人类至今未能攻克的顽疾是什么？肿瘤无疑算是顽疾之一。随着医疗科技深入到分子和原子尺度，靶向药、基因药正在成为人类攻克癌症的热门利器。这些药物究竟如何研制、生产？　　昨天，落地青山湖科技城的清华大学—北京大学生命科学联合中心青山湖平台暨水木未来全球冷冻电镜与AI药物创新中心，为我们从亚纳米微观尺度观望靶向药的研制，提供了一个端口和路径。　　据该平台负责人、水木未来(北京)科技有限公司CEO郭春龙介绍，人体内的疑难杂症，往往是因为某种生物大分子的功能紊乱引起的，药物开发就是寻找合适的小分子、抗体或其他生物分子，通过绑定结合靶点蛋白来激活或抑制它的功能。　　此前，因为普通光学显微镜或常温电子显微镜不能观测到生物大分子的精细结构，科学家只能靠海量盲筛进行“笨办法”的匹配。郭春龙用锁和钥匙的关系来打了个比方。“好比能打开一把锁的疑似钥匙有十亿把，以前每一把都试一遍，不仅效率低，而且结合的精准度和契合度也不一定好，导致即使找到了药，往往也有较大的副作用，需要做大量优化工作。”　　郭春龙介绍，生物大分子结构在常温下容易被高能电子破坏，不利于开展分子和基因尺度的生物学结构研究。有了冷冻电镜技术，在-190的低温环境条件下分析样品，能大大提高分子稳定性和解析分辨率。相对于光学显微镜，分辨率高出几个数量级。“使得我们能看到分子‘锁眼’在原子级别的结构。不仅提高了‘找钥匙’的效率，甚至可以去定制一把能‘开门’的‘钥匙’，实现真正意义上的精准化药物和创新疗法研发。”　　此次落地青山湖科技城的冷冻电镜项目，还把人工智能算法引入生物大分子结构解析领域，可极大提高数据分析和分子建模效率。这意味着，以前需要花费数周甚至数月的建模时间，现在只需几个小时甚至几分钟。郭春龙透露，眼下，水木未来正与多家药企开展合作，基于结构和AI研制效果更好、副作用更低的创新药物。　　另据了解，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。一期投用6台，打造全球最大的冷冻电镜集成平台和生物大分子结构数据库。有关负责人透露，全球已有多家顶尖实验室表达合作意愿。

p style=" text-indent: 2em text-align: left " 高端冷冻电镜系统冷冻电镜技术的发展直接带动了生命科学领域的发展。清华大学近日发布公开招标采购高端冷冻电镜系统的信息，将应用于冷冻电镜三维重构技术对细胞、亚细胞器、生物大分子及复合体等在多个尺度上进行三维结构分析，开展单颗粒分析、电子断层成像和电子晶体学等方面的研究。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " 根据《中华人民共和国政府采购法》等有关规定，现对清华大学高端冷冻电镜系统采购项目进行公开招标，欢迎合格的供应商前来投标。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " & nbsp 项目名称：清华大学高端冷冻电镜系统采购项目 /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " 项目编号：清设招第2018198号 /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " 预算金额：8352万元 /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " 项目联系方式： /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " 项目联系人：王慧 /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " 项目联系电话：62785713 /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " 投标截止时间：2018年12月07日 09:00 /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " 开标时间：2018年12月07日 09:00 /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " 详情如下： /p p style=" text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/bbb55b8e-064b-4a18-873f-601055973710.jpg" title=" 屏幕快照 2018-11-19 上午9.03.07.png" alt=" 屏幕快照 2018-11-19 上午9.03.07.png" / /p

p style=" text-indent: 2em text-align: justify " “It is very easy to answer many fundamental biological questions you just look at the thing!”——1965年诺贝尔物理学奖得主理查德· 费曼教授 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 正如费曼教授所言，结构生物学的核心正在于“看清事物”。只要分辨率足够高，能看清诸多生物分子在原子层面上的细节，它们的工作方式也就不言自明了。也正是由于这个原因，从历史上看，结构生物学领域做出的发现，带来了许多生物学突破，也推动了不少创新疗法的开发。 br style=" text-indent: 2em text-align: left " / /p p style=" text-align:center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/627d0364-d802-4ff4-aedb-9ab7041c7ce9.jpg" title=" 1.png" alt=" 1.png" / /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 在诸多让人类“高清看世界”的技术里，X射线晶体学是生物学家们使用最多的技术之一，也让人类获得了大量生物大分子的结构。但这种方法需要事先获取这种大分子的晶体。尽管许多蛋白质和一些稳定的复合体能产生质量足够高的晶体，但对于膜蛋白或动态的复合体来说，获取晶体就不是那么容易。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 我们能不依赖于晶体获取，直接“观察”这些大分子吗？自上世纪70年代起，许多先驱尝试使用基于电子显微镜的方法来解决这个问题。最初，它的分辨率并不尽如人意。但经历了40年的发展，冷冻电镜技术取得了突破，一跃成为了结构生物学的主流工具之一，与X射线晶体学形成了完美的互补。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 单粒子冷冻电镜的诞生 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 事实上，想通过电子显微镜来看清生物大分子，并不是一件容易的事。首先，和通常的照片一样，电子显微镜获取的图像是二维的，而生物大分子的结构是三维的。这一问题通过一个巧妙的方法得到了解决：对于同一个生物大分子，我们可以从不同的角度获取它的二维图片。将这些图片整合到一起，就可以重建出三维的结构。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 而电子显微镜遇到的另一个问题，曾一度被认为是它的致命硬伤——为了达到最佳效果，电子束必须处于真空环境之中。于是，这些样本也必须位于同样的真空里。对于生物大分子来说，这就造成了严重问题：真空导致的脱水会对样本的结构完整性带来破坏性的影响。从机制上看，用电子显微镜来观察生物大分子就好像是个不可能完成的任务。 br style=" text-indent: 2em text-align: left " / /p p style=" text-align:center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/6c051d14-a901-4d11-af98-b62ce330a6df.jpg" title=" 2.jpg" alt=" 2.jpg" / /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " span style=" text-align: justify text-indent: 2em " ▲将样品“冻起来”，可以保留生物大分子的完整性（图片来源：By Vossman [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], from Wikimedia Commons） /span br/ /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 1974年发表在《科学》杂志上的一项研究彰显了人类的智慧。在加州大学伯克利分校，还是在读研究生的Kenneth Taylor与其导师Robert Glaeser教授表明，生物大分子的结构完整性，可以通过将它们“冻起来”而得到保留。这一发现在上世纪80年代被Jacques Dubochet教授及其同事们发扬光大，基于这一发现开发的样本制备技术时至今日都没有出现很大的改动。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 研究人员们也指出了电子显微镜的第三个问题——高能电子束带来的辐射可能会对生物学样本造成破坏，从而限制了电子束的强度。而电子束较弱的结果，便是过低的信噪比。Richard Henderson教授等人提出的一个解决方案，将晶体学中的技术应用到电子显微镜成像过程中。利用电子晶体学（electron crystallography）技术，人们取得了一系列进展，解析出的结构分辨率最高达1.9 埃。 /p p br/ /p p style=" text-align:center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/6ff80f52-36a4-48ec-8bdf-d85e7527975f.jpg" title=" 3.jpg" alt=" 3.jpg" / /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " ▲三位在冷冻电镜领域做出开拓性贡献的科学家共享了2017年的诺贝尔化学奖 br/ （图片来源：The Nobel Prize in Chemistry 2017. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2018. Wed. 12 Sep 2018. https: ） br/ /https: /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 而Joachim Frank教授则希望能够规避结晶这一手段来确认蛋白质的结构。他提出，通过对同一种蛋白粒子进行大量的独立拍摄，再通过计算机来整合这些图片，有望能获得高清的结构。这一创新的想法与样本的冷冻制备相结合，成为了如今我们熟悉的“单粒子冷冻电镜”（single-particle cryo-EM）。Frank教授、Dubochet教授、以及Henderson教授三人也共享了2017年的诺贝尔化学奖。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " strong 结构生物学的新纪元 /strong /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 单粒子冷冻电镜技术为结构生物学带来了新的突破，使其迈入了新纪元。原本难以结晶的目标，其结构也能展现在人类面前，膜蛋白就是这样的例子。在这篇综述中，加州大学旧金山分校的程亦凡教授介绍了冷冻电镜如何协助我们获得了瞬态受体电位（TRP）离子通道的结构。 br style=" text-indent: 2em text-align: left " / /p p style=" text-align:center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/b4af6e2b-a106-47b7-bc95-779b43e3ee4a.jpg" title=" 4.jpg" alt=" 4.jpg" / /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " ▲本篇《科学》综述的作者程亦凡教授（图片来源：程亦凡教授实验室官网） /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " TRP通道超家族分为7大类，在人类中总共有27个成员，每一个通道都有着特定的生理功能，其中一些也有望成为治疗人类疾病的靶点。但除了这些通道里的少数小型结构域外，人们对这些通道的结晶尝试往往以失败而告终，这也限制了对这些靶点的进一步开发。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 2013年，这一困境迎来了终结。当年，《自然》上的两篇论文利用单粒子冷冻电镜技术，获取了TRPV1离子通道位于三种不同状态下的结构，让我们更好地理解了其“感受热量，激活疼痛通路”的作用。TRPV1结构的获得再次强调了冷冻电镜的巨大潜力——当“获取晶体”这一限速步骤被移除后，我们能够以极快的速度获得膜蛋白的原子结构。据统计，在不到5年的时间里，每一类TRP通道，均有至少1个成员的结构得到了解析。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 对于大型的动态复合体来说，冷冻电镜更是让原本无法通过结晶获取的结构呈现在了人类面前，剪接体就是极佳的例子。过去，人们要么只能获得其中片段的原子结构，要么只能获得分辨率较低的整体结构。而在单粒子冷冻电镜的协助下，在几年里，我们就获得了剪接体在不同工作状态下的结构，从而拼接出了它工作的完整画面。这在过去是难以想象的。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 冷冻电镜领域前所未有的发展速度，也吸引了诸多医药企业的关注。它们期望能够应用这一技术，优化药物的发现过程。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " strong 医药企业的尝试 /strong /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 在去年11月的一篇《Nature Reviews Drug Discovery》综述中，作者Mark Peplow博士为我们盘点了药企在冷冻电镜领域的布局与尝试。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 对于大型药企来说，在公司内部的建立冷冻电镜能力是其布局的主要方向——基因泰克在组建内部的冷冻电镜团队；辉瑞斥资500万英镑使用新款的冷冻电镜；诺华通过与Friedrich Miescher研究所的合作也构建了自己的冷冻电镜中心。诺华生物医药研究所（NIBR）的蛋白质科学负责人Christian Wiesmann说，他们的冷冻电镜中心已经初见成效。利用冷冻电镜技术，他们获得了一款蛋白与一种小分子结合时的结构，这能指导药物化学的开发。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " 对于另一些药企或生物技术公司来说，他们决定组成联盟，共同使用冷冻电镜工具。这一方面是出于成本的考量，但更重要的是，这种联盟能够促进经验的交流。在英国，剑桥医药冷冻电镜联盟（Cambridge Pharmaceutical Cryo-EM Consortium）就是这样的例子——在5家药企的合作下，这一联盟获得了超过300万英镑的资金，于2016年正式启动。 br style=" text-indent: 2em text-align: left " / /p p style=" text-align:center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201809/uepic/5e19607c-c0eb-4bf4-98ae-c487fb8216b8.jpg" title=" 5.jpg" alt=" 5.jpg" / /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 去年5月，该联盟的成员之一阿斯利康发表了一篇论文，揭示了人类突变ATM蛋白的结构。ATM蛋白是一类大型激酶，与DNA的修复有关，在癌症发病中有潜在的作用。而研究人员们获得的结构，其分辨率为4.4埃，足以看清其两个构象，其中一个处于“打开”状态，可以结合底物；另一个则处于“关闭”状态。这些发现带来了该蛋白的首个高清结构，也表明它作为分子开关的重要作用。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 该联盟的另一个成员Heptares则在探索GPCR的结构。作为一类膜蛋白，它们通常会因为分离过程而失去正常的结构与活性，因此难以通过常规的结晶手段制备样本。但冷冻电镜技术则没有这样的困扰。目前，我们获得的GPCR结构已能让我们看清它们与大型多肽相结合时的结构。它们与小分子结合时的高清结构，会是研究人员们未来的研究方向。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " strong 冷冻电镜的未来 /strong /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 冷冻电镜领域在过去40年里发生了重大的改变，而这一技术还有不少可以提高的空间。其中的一大关键在于进一步提高分辨率，达到2埃左右，另一大关键在于提高使用的效率。如果我们能够快速获得大批样品的高清结构，无疑将加速这项革命性技术在医药领域的应用。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 此外，硬件与软件的升级，也将提升冷冻电镜的能力。更好的光学系统、更好的检测器、更好的算法软件，都能让冷冻电镜在现有的基础上如虎添翼。正如一些业内资深人士指出的那样，要实现这样的功能迭代，让冷冻电镜成为新药发现的常规工具，或许还需要5到10年的时间。但对于诸多医药与生物技术公司而言，目前或许是将这一工具整合至研发系统中的最佳时机。 /p p br style=" text-indent: 2em text-align: left " / /p

p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" 201508210836068535.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201508/noimg/a35de701-612c-4691-87ab-8ffa6b744c6b.jpg" / /p p 　　8月21日，清华大学生命科学学院施一公教授研究组在《科学》周刊(Science)同时在线发表了两篇背靠背研究长文，题目分别为“3.6埃的酵母剪接体结构”(Structure of a Yeast Spliceosome at 3.6 Angstrom Resolution)和“前体信使RNA剪接的结构基础”(Structural Basis of Pre-mRNA Splicing)。 /p p 　　第一篇文章报道了通过单颗粒冷冻 a href=" http://www.instrument.com.cn/zc/1139.html" target=" _self" title=" " 电子显微 /a 技术(冷冻电镜)解析的酵母剪接体近原子分辨率的三维结构，第二篇文章在此结构的基础上进行了详细分析，阐述了剪接体对前体信使RNA执行剪接的基本工作机理。清华大学生命学院闫创业博士、医学院博士研究生杭婧和万蕊雪为两篇文章的共同第一作者。 /p p style=" TEXT-ALIGN: center" img title=" 201508210834276549.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201508/noimg/76442051-b081-40d5-81cc-c4b20324e1c0.jpg" / /p p 　　这一研究成果具有极为重大的意义。自1993年RNA剪接的发现以来，科学家们一直在步履维艰地探索其中的分子奥秘，期待早日揭示这个复杂过程的分子机理。施一公院士研究组对剪接体近原子分辨率结构的解析，不仅初步解答了这一基础生命科学领域长期以来备受关注的核心问题，又为进一步揭示与剪接体相关疾病的发病机理提供了结构基础和理论指导。 /p p 　　清华大学将于近期召开新闻发布会，介绍这项重大的科研成果。 /p p 　　另据《赛先生》对施一公的一篇专访介绍，“这项研究成果的意义很可能超过了我过去25年科研生涯中所有研究成果的总和!”施一公振奋地表示：“我此前以通讯作者身份在《科学》、《自然》和《细胞》上发表的文章总共接近50篇，但我觉得这次的意义特别重大!” /p p 　　6月24日，Nagai研究组的一篇论文于《自然》网站在线发表，其工作将剪接体所涉及的一个中心复合物tri-snRNP的分辨率提高到了5.9个埃米，一度引起轰动。而此前人类对基因剪接体的认识精度只有29个埃米。1埃米为10 sup -10 /sup 米，即把1米分成十亿份，其之微小可以想见，因此Nagai的最新工作被称为近原子尺度的结构研究。 /p p 　　而施一公团队此次得到的结果不仅将精度由5.9个埃米提高到了3.6个埃米，而且其解析对象是真正的剪接体，而不是Nagai团队所取得的参与剪接体组装过程的复合物，从而第一次在近原子分辨率上看到了剪接体的细节。 /p p 　　对于施一公团队的最新成果，很多同行给出了非常高的评价：将受诺奖考虑。 /p p 　　一直以来，研究蛋白质结构有三种主要方法：X射线晶体衍射、核磁共振以及单颗粒冷冻电子显微镜(冷冻电镜)。而施一公所采用的冷冻电镜技术在过去两年里取得了革命性的进展，一方面是它的照相机技术，一方面是其软件分析的图像处理技术，尤其是前者的进步大幅提高了冷冻电镜的解析能力。 /p p 　　施一公说：“如果没有冷冻电镜技术，就完全不可能得到剪接体近原子水平的分辨率。” /p p 　　尤为幸运的是，早在冷冻电镜技术还远未成势的2007年，清华大学就在上述三种方法中选择了重点发展冷冻电镜技术，如今清华拥有世界最大的冷冻电镜系统。施一公把他和同事们当年卓有远见的选择归于“幸运”，他说“如果没有冷冻电镜肯定做不到今天的结果，而当年确实没想到冷冻电镜会出现飞跃性的进展。” /p p 　　“幸运”远不止是当年选对了技术。除了仪器的进步，在施一公看来，他们能领先竞争对手的主要原因是拥有极为成熟的样品处理方法。“也就是说如何让蛋白质服服帖帖、性质稳定，成为适合结构解析的样品”，他半开玩笑地说“这是我们的独门绝招，这个绝招即便写出来，别人不在我的实验室做上一两年也很难理解或吃透，因为这是师傅带徒弟一点点积累起来的。” /p p 　　除了靠谱的仪器、技术和学生，施一公说，“胆量”给了他们最大的惊喜。“本来我们的样品不是最理想的状态，学生有点不敢试，我说不妨上一下试试，最多就是不成功，只要有15埃的分辨率就很好了，结果算出来竟然有3.6埃。我们在今年整个4月份里做计算，那一个月突破连连、都跟做梦似的!” /p p /p

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。

生物大分子除了具有传统结构生物学可以解析的有序部分，还经常伴随着高度无序性的区域，而后者被发现可以参与到凝聚相的形成（biomolecular condensation），是几乎所有无膜细胞器形成的基础。解析这些无膜细胞器的组装模式，对于理解其在重要生物学过程及疾病发生中的功能是极为重要的。然而由于大分子凝聚相组成的多样性、无序性和动态性，解析其分子组装基础尤其是在细胞原位水平的相互作用机制极其困难。近年来逐渐发展成熟的冷冻电子断层扫描成像技术（cryo-electron tomography， ET）结合冷冻聚焦离子束减薄技术（cryo-focused ion beam milling）、冷冻光电镜关联技术（cryo-correlative electron and light microscopy, CLEM），与经典的定量质谱学结合，使得相分离无膜细胞器在细胞原位水平的高分辨率可视化成为可能。2023年4月27日，欧洲分子生物学实验室（EMBL）Julia Mahamid课题组的张潇洁博士和Mikhail M. Savitski课题组Sindhuja Sridharan博士等在Cell杂志发表了题为Molecular mechanisms of stress-induced reactivation in mumps virus condensates 的研究论文。该研究利用cryo-ET、质谱定量分析及细胞生物学方法，首次揭示了在宿主细胞处于应激状态时，持续性感染的腮腺炎病毒是如何通过其在宿主细胞内的复制工厂这一凝聚相来实现激活的分子机制。该研究是由一个意外的发现引起的。在细胞响应外界压力（如氧化、热休克、渗透应激条件等）时可以在数分钟内快速形成一种典型的无膜细胞器即应激颗粒。研究人员在利用cryo-CLEM 及cryo-ET对细胞原位水平的应激颗粒进行电镜成像时，意外的多次观察到实验所使用的HeLa细胞内有成团存在的直径约20纳米的螺旋形纤维结构。经过近两年时间的生化分离尝试、结构解析（subtomogram averaging）及质谱分析，研究人员惊奇的发现细胞不知何时意外感染了腮腺炎病毒，而这些螺旋形纤维结构其实是病毒的核衣壳（表征病毒复制工厂的位置）。病毒持续地存在于HeLa细胞中，却对细胞的增殖速度没有可见的影响。而当细胞处于应激状态时，这些病毒的复制却被诱导上调。图1 | 细胞应激状态下持续性感染的腮腺炎病毒复制增强。（A）意外发现的持续性腮腺炎病毒（MuV）感染模型（G3BP1为应激标记蛋白）。（B）氧化应激条件下复制水平上升。（C）免疫荧光染色观察到病毒复制工厂在应激条件体积增大、数目减少。（D）将复制工厂（VF）凝聚相形成的主要组分即磷酸化蛋白的基因转染细胞后观察到的复制工厂的类似液态属性。为了理解细胞应激导致腮腺炎病毒激活的机制，研究人员首先利用免疫染色及光学显微镜观察这些持续性感染的细胞在受到应激处理时会发生怎样的变化。结果显示随着细胞处理时间的延长，应激颗粒逐渐形成，而病毒复制工厂这一微米尺度的细胞内结构的体积也逐渐变大，同时数目减少。进一步研究发现病毒复制工厂类似应激颗粒，也是具有类似液态属性的凝聚相，由其主要组分高度无序的磷酸化蛋白（phosphoprotein）介导形成。这些复制工厂在细胞受到应激处理时呈现动态性，小的凝聚体可以融合形成更大的凝聚体。图2 | 细胞应激引发病毒复制工厂中蛋白作用网络的变化。（A）应激条件下病毒的磷酸化蛋白（标记为P）的磷酸化水平增高。（B）同时，病毒聚合酶蛋白（标记为L）的溶解度下降。（C）AlphaFold2建模及同源比对表明磷酸化位点可能影响病毒聚合酶复合体的稳定性。随后，研究人员利用质谱定量系统分析了在细胞应激状态下，病毒及宿主细胞蛋白质组的变化，包括蛋白表达水平、磷酸化水平和溶解水平等。虽然病毒蛋白在细胞内水平未明显变化（胞外水平检测到上升），有趣的是在磷酸化蛋白的多个位点的磷酸化水平有明显的上调，同时与其相互作用的病毒RNA聚合酶的溶解水平明显降低（可能更多的进入其复制工厂凝聚相）。AlphaFold2建模及同源比对表明这些磷酸化位点刚好位于病毒磷酸化蛋白与其RNA聚合酶的结合位点处。后续的蛋白质密度梯度离心、免疫亲和纯化、突变体分析等实验表明，该磷酸化水平的升高的确与病毒聚合酶复合物在细胞应激状态下的稳定性升高相关。另外，与对应条件下病毒活性的上调相一致，宿主免疫响应水平明显下调。图3 | 腮腺炎病毒复制工厂及其核衣壳蛋白在应激条件下的形态及构象变化。（A）复制工厂在较短时间应激处理时的形态（cryo-ET图像分割；湛蓝色为核衣壳纤维）。（B）随应激时间延长，复制工厂和核衣壳纤维形态的变化，及相互作用蛋白富集。（C）对短时间应激时分离的核衣壳纤维进行亚断层平均（subtomogram averaging）产生的松散（绿色；分辨率4.5 Å）和紧凑（橙色；分辨率6.3 Å）两种构象。分离试验中对核衣壳纤维进行肝素处理使其伸直用于数据分析。（D）对较长应激时细胞原位的伸直的核衣壳纤维进行亚断层平均仅鉴定到松散的构象（分辨率6.5 Å）。最后，研究人员利用cryo-ET对应激处理不同时间点的病毒复制工厂分别进行了细胞原位成像及结构解析（subtomogram averaging）。结果显示随着应激时间的延长，细胞内病毒复制工厂变的更加拥挤，与病毒核衣壳相互作用的分子更加富集，并有趣的伴随着核衣壳螺旋形纤维由弯曲到伸直的形态变化（伸直形态被报道与慢性肌炎相关）。较高分辨率的结构分析表明，其弯曲的形态对应着紧凑和松散两种组装构象，而伸直的形态则几乎都是松散的构象。后者使得核衣壳上缠绕的病毒基因组RNA及核衣壳蛋白的羧基端无序结构（IDR）更容易暴露出来，完成其与病毒复制相关的功能，从而进一步支持应激状态下病毒复制的上调。图4 | 该研究提出的相分离的腮腺炎病毒复制工厂在应激条件下激活的工作模型。综上，该研究整合了前沿的细胞原位cryo-ET、cryo-CLEM、AlphaFold2建模、质谱定量、光学成像等，跨空间尺度地分析了持续性感染的腮腺炎病毒的复制工厂这一凝聚相的应激变化。这为未来进一步探索应激条件下引起这些分子事件的信号通路、以及腮腺炎病毒持续性感染与慢性疾病发生的关联等提供了基础。重要的是，该研究表明细胞原位cryo-ET与这些技术的整合，有望带来很多结构细胞生物学的新发现。该研究由欧洲分子生物学实验室（EMBL）Julia Mahamid课题组和Mikhail M. Savitski课题组完成，Christoph W. Mueller课题组提供了帮助，德国马普所分子细胞生物学与遗传学分所 （MPI-CBG）Christina Eugster Oegema 提供了RNA定量数据，Anthony A. Hyman及实验室提供了重要建议和帮助。

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。

p style=" text-indent: 2em " strong style=" text-indent: 2em " 仪器信息网讯 /strong span style=" text-indent: 2em " 12月16日，由国家蛋白质科学研究（北京）北大分中心、北京大学生命科学学院和赛默飞世尔公司共同主办，中国生物物理学会冷冻电子显微学分会承办的2020年蛋白质冷冻电子断层扫描三维重构技术应用研讨会在北京大学中关新园成功举办。研讨会主席由北京大学郭强研究员、高宁教授、伊成器教授和赛默飞电镜生命科学亚太区市场拓展总监Eric Fung Chen共同担任，主题是“蛋白质冷冻电子断层扫描-桥连细胞生物学和分子生物学时代”，围绕三维冷冻电子断层扫描重构技术（Cryo-ET）样品制备、算法数据处理、应用以及交联质谱、FCS技术等方面进行了广泛研讨。本次研讨会共组织安排了11场精彩报告，其中来自德国马普生化所冷冻电子断层扫描技术的先驱Wolfgang Baumeister教授应邀作了主旨报告。作为冷冻电子断层扫描三维重构技术盛会，会议吸引了来自全国高等院校、科研院所、企事业单位的知名专家学者等共240余人。 /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 400px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/7f9c68cf-1c1c-4fad-a95f-f2a154a2a686.jpg" title=" 1.jpg" alt=" 1.jpg" width=" 600" height=" 400" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) text-align: center text-indent: 0em " 全体合影 /span /p p style=" text-indent: 2em " strong 北京大学生命学院副院长高宁教授 /strong 和 strong 赛默飞材料与结构分析业务高级商务总监陈厅行 /strong 分别为大会致开幕辞。高宁教授指出在过去几年内，冷冻电镜技术的革命性发展非常深刻的改变了生命科学很多领域的研究范式。冷冻电镜技术未来的一个重要突破将是冷冻电子断层扫描三维重构技术（Cryo-ET），这些技术发展离不开国家层面鼓励的多学科交叉的方向。将来除了生物学、电子显微学还有材料、化学、大数据技术、人工智能等各学科的深度融合，我们坚信在5 ~ 10年内各项基于冷冻电镜的技术，特别是冷冻电子断层扫描三维重构技术将迎来新的突破，这将是一个新的革命性的时代，在座学生可以做好迎接新时代的准备。陈厅行在致辞中表示赛默飞在结构生物学领域和北大以及国家蛋白质中心都一直有着非常密切的合作，从仪器、服务到技术的普及和相关的学术活动。他希望凭借赛默飞仪器技术的升级能帮助科学家们攻克一个又一个的生物学问题，探究更多的人类的未解之谜，让我们的世界更健康，更清洁，更安全。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 199px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/93502dfe-279d-4ace-a365-a45683d57aab.jpg" title=" 2.png" alt=" 2.png" width=" 600" height=" 199" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) text-align: center text-indent: 0em " 高宁教授（左）和陈厅行先生（右） /span /p p style=" text-indent: 2em " 随后在上午的学术报告中， strong 清华大学欧光朔教授 /strong 报告了利用Cryo-ET技术研究线虫肠道内纤毛和微绒毛的最新研究成果。报告中，欧教授详细报告了如何从使用常温FIB-SEM研究线虫的大尺度三维重构的过程到使用Cryo-ET技术过程。在使用Cryo-ET技术过程，经历了很多艰辛，由于定位问题，很难获得高质量理想样品。最后在研究线虫肠道上皮内有大量的微绒毛过程中，非常意外的发现在小肠微绒毛膜的外面有成百上千的杆状结构。由于该茸毛存在于微米级细胞器Microvilli上，其直径5nm，长度35nm长，因此命名为Nanovilli，报告中将Microvilli和Nanovilli组成的结构形象的称之为狼牙棒（Rod with wolf teeth）结构。通过大量的数据分析并结合文献中微绒毛再生过程的研究结论，提出了微绒毛复制模型。欧教授幽默风趣的报告，赢得了阵阵掌声。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 中国科学院生物物理研究所章新政研究员 /strong 报告了新的高通量原位结构解析技术，该技术的定位效率与蛋白质大小和样品厚度密切相关，在低于120 nm的非切片数据里，可定位400 kD以上的蛋白并实现高分辨率解析。蛋白质的丰度和蛋白质分子量降低都会影响定位效率，但前者远小于后者的影响。经估算，在丰度极地的情况下，若切片厚度在100 nm左右，可解析约1 MD的蛋白高分辨率结构。由于相对较低的定位效率，算法无法确定原位环境中的蛋白复合物，因此如果目标蛋白的分布未知，可先收集Tomographic数据，通过Sub-Tomogram averaging技术研究蛋白在原位环境中的分布，然后使用该方法进一步提升分辨率。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 赛默飞电镜生命科学亚太高级业务拓展总监Eric Fung Chen /strong 在会议上介绍了赛默飞多年以来持续在产品技术研发上做的大量投入，以及冷冻电镜在生命科学领域的技术新进展。赛默飞每年在持续在产品研发投入超过10亿美金，这使得赛默飞的技术创新一直走在科技的前沿：新推出的Selectris能量过滤器将冷冻电镜提升到了新的水平，分辨率可达1.2埃，实现了以真正的原子级分辨率观察蛋白；Aquilos 2 cryo FIB在样品制备方面进行了自动化改进和提供了细胞组织水平的冷冻薄片提取技术，从而大大简化了研究人员的制样步骤，提高了成功率；亲民新品Tundra（100kv CryoEM）也使得更多的客户有能力用冷冻电镜研究蛋白结构，最新数据是分辨率达到3.0埃（Apoferritin)等，所有的这些创新都是希望帮助科学家们解决更多的科学难题，实现科研往前推动重要的一步。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院董梦秋研究员 /strong 报告了利用化学交联及质谱分析辅助蛋白质结构分析，其团队开发了一种新可以在具有挑战条件下工作的交联剂DOPA2，该交联剂具有氨基特异性，可以在10 s内快速反应完成交联，远远快于目前常用交联剂的反应时间20 ~ 30min，而且不水解。该交联剂不仅可以使化学交联质谱分析用于分析未折叠或部分折叠的蛋白质，还可以捕捉蛋白质展开过程中的结构变化，最后她也希望在蛋白构象变化研究的路上，未来能研究出反应更快的交联剂，甚至是微秒级的交联剂，以更好研究跟踪更快的蛋白构想变化。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 北京大学生命学院郭强研究员 /strong 报告了利用冷冻电子断层扫描技术分析神经退行性疾病的细胞毒性分子机制。报告中列举了通过冷冻光电联用技术，电子断层扫描技术实现对多种神经退行性疾病模型中的蛋白聚集物的原位观察，展示了蛋白聚集物多样性的特征，并指出泛素化降解途径功能阻滞可能是ALS发病过程中的重要特征。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 375px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/f5144e7b-680e-48c0-8a89-823a6a1f418b.jpg" title=" 3.png" alt=" 3.png" width=" 500" height=" 375" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) text-align: center text-indent: 0em " 上午报告人 /span /p p style=" text-indent: 2em " 下午学术报告中， strong 北京大学生命学院王世强教授 /strong 首先带来了精彩的报告。王老师虽然自己以前不是做结构相关的，但是王老师实验室使用电镜方面，有非常长的历史。一旦电镜有些新的技术，他都会让学生在第一时间尝试。在之前北大硬件相对比较差的时候，他就找各种的合作，试图用相对比较有限的条件应用最新的技术。王教授报告了使用常规Tomography技术获得的心肌细胞内钙信号转导大分子复合物signosome的三维结构并详细介绍了钙火花工作机制。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 清华大学李雪明副教授 /strong 报告了细胞原位冷冻电镜结构解析的技术挑战与研究进展，报告中指出，Cryo-ET的优势是可以研究真正的生理态状态、大尺度范围内的物质相互作用、涵盖了关键的生物学过程、分辨率可以从原子尺度到微纳尺度。同时从样品制备技术、数据采集、数据预处理、三维重构、图像识别（深度学习）系统介绍了冷冻电子断层扫描三维重构技术。特别是样品制备方面是Cryo-ET面临的瓶颈问题，决定了实验的成败。李教授详细汇报了课题组切割样品的过程，切割必须保持样品高质量的结构、定位问题、表面辐照损伤、切割的厚度、形变等等都会影响样品质量。未来高效智能的Cryo-ET技术依然是其努力方向。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 中科院计算技术研究所张法 /strong 研究汇报了电子断层三维重构中的计算方法，详细列举了研究组开发的数据对中（Markerauto）、弥补数据缺失重构（FIRT/ICON和Curvilinear projection Model）、三维体降噪和三维数据分类等软件的原理、优势及应用。生物物理所黄韶辉研究员报告了基于最大熵值法的荧光寿命相关光谱技术（FCS）用于分析生物分子亚毫秒级别的动态结构变化，其应用最大熵值法(MEM)可实现对均相溶液样品中三个荧光组份(三个FRET构象)的荧光寿命分布分析；而且应用荧光寿命相关光谱(FLCS)技术实现对以上三个FRET构象相互转换在亚毫秒时间尺度的动力学研究。同时他还希望能对溶液样品中更多(& gt 3)FRET构象及其相互转换的动力学研究、数个毫秒级别的构象转换动力学研究以及解决更有意义的生物学问题。其自主研制的FCS CorTectorTM SX100国内外用户有美国国立卫生研究院、加州大学旧金山分校、清华大学、中科院生物物理研究所，他也期待和大家有更多的合作。 /p p style=" text-indent: 2em " 仪器行业新锐 strong 荷兰Delmic公司的CEO Sander den Hoedt和冷冻电镜产品部主管Katherine Lau /strong 在中国区总代理超微动力公司总经理葛鹏的协助下详细介绍了一款有巨大潜在应用价值的新产品Meteor。这是一款集成于cryo-FIB/SEM上的荧光显微镜实时观察系统，该系统可以减少样品转移环节，显著提高制样成功率和良品率，将宝贵的冷冻电镜机时用于真正有价值的样品。在报告中还提及了Delmic公司的另一项新产品——全自动高速电镜系统FastEM。这也是一款革命性的新产品，使电镜观察实现完全自动化，可将电镜的观察效率提高数十倍。这些产品的潜在应用价值得到主旨报告人Baumeister教授的充分肯定。 /p p style=" text-indent: 2em " strong 马普生化所Baumeister教授 /strong 首先介绍了原位结构生物学的重要意义，接下来回顾了过去几十年冷冻电子断层扫描技术相关上下游仪器设备的发展历程。紧接着，介绍了研究组近期利用电子断层扫描技术解决的生物学问题，涵盖了神经生物学、光合成、相分离、细胞自噬、蛋白稳态等多个方面。最后，展望未来，Baumeister教授讲述了原位结构生物学未来需要解决的方法学难题及发展方向。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/a5f3d902-6910-42e2-b146-33b8f7418ffa.jpg" title=" 4.png" alt=" 4.png" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) text-align: center text-indent: 0em " 下午报告人 /span /p p style=" text-indent: 2em " 本次研讨会为国内学者提供了冷冻电子断层扫描三维重构技术的高水平交流平台，有效推动了蛋白质结构与功能研究的进步和发展。一天的交流，与会代表积极参与讨论，大家感受到了Cryo-ET技术的魅力与发展。郭强研究员最后期待在更大的会场和更多的学者可以进行更多的学术交流。本次研讨会得到了北京大学冷冻电镜平台的大力支持。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 265px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202012/uepic/93f7b2bb-cc72-4afc-b575-9eb5afb165e8.jpg" title=" 5.png" alt=" 5.png" width=" 600" height=" 265" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) text-align: center text-indent: 0em " 会议掠影 /span /p

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。

5月22日，中国科学院生物物理研究所朱平研究组在国际学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）发表论文。在该论文中，研究者提出了一种在冷冻电子断层三维成像中，对目标分子原位结构特征和动态构象进行高信噪比直接观察和识别的方法，并命名为REST（REstoring the Signal in Tomograms）。冷冻电子断层成像技术可以获得细胞及组织样品中纳米级分辨率的生物大分子原位三维结构，但由于冷冻电子断层成像中的极低信噪比和不可逆信息缺失，研究者难以获得深度学习过程中所需的目标颗粒真实信息（ground truth），使得利用神经网络和深度学习技术进行电子断层成像中的目标大分子蛋白识别具有很大的挑战。为了解决上述技术瓶颈，朱平研究组新发表的研究论文提出并实现了两种训练策略。在策略一中，研究者选取来自原始数据中少量颗粒进行亚单位平均，以该平均结果作为训练的“ground truth”并和原始颗粒建立训练对。在策略二中，研究人员通过对高质量“ground truth”密度图人为添加不同程度的噪声和动态构象变化，以此模拟真实数据中低信噪比和大分子结构异质性，并将模拟获得的高噪声、动态变化的低质量颗粒密度图与高质量密度图建立映射和训练集。在建立以上训练集和深度学习策略后，研究者利用深度学习网络对训练集进行学习和训练，并将训练好的模型和习得的知识迁移到原始数据中，进行目标蛋白颗粒的信息恢复。 REST方法流程和训练策略研究发现，采用以上策略，REST方法在恢复目标蛋白清晰信号（如在嘈杂的背景中识别并提取粒子）、分割目标特征、识别目标蛋白的动态或柔性结构、获得没有缺失信息的密度作为初始模型并辅助电子断层成像中亚单位平均（STA）等冷冻电子断层成像相关的各种任务中，将具有广泛的应用价值和前景。中国科学院生物物理研究所朱平研究组博士生张浩楠、副研究员李岩为该论文的共同第一作者，朱平研究员为论文的通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金、科技部重点研发项目、中国科学院战略性先导科技专项（B类）等的资助。

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。

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

p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 2018年11月19日，南方科技大学冷冻电镜中心揭牌仪式在南科大生物楼举行。2017年诺贝尔化学奖获得者、冷冻电镜技术开创者之一Richard& nbsp Hendersen，深圳市发改委副主任蔡羽，南方科技大学校长陈十一，中国科学院院士隋森芳等出席仪式。 /p p style=" text-align:center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/b83644de-356d-4e5f-9341-72a1a5e4725a.jpg" title=" 1.png" alt=" 1.png" / /p p style=" text-indent: 2em text-align: center " 揭牌仪式现场 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 南科大冷冻电镜中心是深圳市政府出资、我校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、精准医学、新能源新材料方面的科学研究及产业升级。南科大冷冻电镜实验室拟安装300千伏冷冻电镜6台，200千伏冷冻电镜2台，120千伏电镜2台，共计10台冷冻透射电子显微镜及其它71台/套相关辅助仪器和样品制备设备，全部建成后，将是我国配套最齐全、最先进的冷冻电镜实验室。经过一年多的前期准备工作，目前项目一期的2台300kv冷冻电子显微镜已经完成安装调试，投入使用。冷冻电镜技术改变了许多生物领域的研究方式，使得诸多研究能够快速取得重大突破。冷冻电镜技术已成为结构生物学研究的利器，这项技术克服了生物分子结构解析中的许多难点，被诺贝尔奖官方称为“使得生物化学进入一个新时代”。 /p p style=" text-align:center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/7a1b61e0-a88d-4542-9e00-fb3cdc96a122.jpg" title=" 2.jpg" alt=" 2.jpg" / /p p style=" text-indent: 2em text-align: center " 陈十一致辞 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 陈十一在仪式上致辞，他代表南科大对与会嘉宾的到来表示欢迎，对深圳市委市政府对南方科技大学冷冻电镜中心的支持表示感谢，同时也对冷冻电镜中心负责人王培毅和工作人员前期的辛勤工作表示肯定。他表示，未来几年，冷冻电镜中心将致力于把基础知识和药物开发结合起来，在深圳的工业发展中扮演重要角色。南科大将以此为契机，秉承和发扬“敢闯敢试、求真务实、改革创新、追求卓越”的创校精神，为深圳市社会和经济的发展继续贡献力量。 /p p style=" text-align:center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/17b55b90-20aa-4b77-85b2-0fddf9d79466.jpg" title=" 3.jpg" alt=" 3.jpg" / /p p style=" text-indent: 2em text-align: center " Richard& nbsp Henderson致辞 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " Richard& nbsp Henderson在致辞中对南科大冷冻电镜中心的落成表示祝贺，并表示为这个优秀的冷冻电镜中心的建立感到由衷高兴。他指出，南科大冷冻电镜中心落成之后，将会成为全球最大的三个冷冻电镜中心之一，另外两个分别在美国和英国。目前，世界上大概有100个类似的研究机构，南科大冷冻电镜中心落成之后，其研究能力将会达到全球的前5%，对相关科研领域的研究产生更大的影响。 /p p style=" text-align:center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/524b4e7f-e049-43a5-8cb4-e08283ee6ed4.jpg" title=" 4.jpg" alt=" 4.jpg" / /p p style=" text-indent: 2em text-align: center " 蔡羽致辞 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 蔡羽表示，南科大冷冻电镜中心是生命科学、新材料、新能源领域基础性、关键性的重大科研设施，填补了深圳市、广东省、中国南方地区在该领域的空白，为我市及地区相关领域内的科学研究及产业升级转型提供了支撑平台，希望冷冻电镜中心为深圳市、粤港澳大湾区的产业升级及进一步经济社会全面发展提供新的动力源泉。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 随后，冷冻电镜中心负责人王培毅、Richard Henderson、蔡羽、隋森芳共同为南方科技大学冷冻电镜中心揭牌。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " Thermofisher Scientific亚太区材料与科学事业部总经理Marc Peeters、Thermofisher Scientific公司代表Jonathan Jing、中国航天科工深圳航天工业技术研究院董事长崔玉平、中国国际金融集团董事总经理陈十游也在仪式上致辞。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 南方科技大学第二附属医院、深圳市第三人民医院院长刘磊，加州大学洛杉矶分校教授周正洪，加州大学旧金山分校教授程亦凡，牛津大学教授章佩君等参加了揭牌仪式。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: left " 冷冻电镜发展国际研讨会也于同日在南科大图书馆111报告厅举行。 /p

p 　　作者：黄岚青，刘海广(北京计算科学研究中心 复杂系统研究部) /p p 　　 span style=" background-color: rgb(112, 48, 160) color: rgb(255, 255, 255) " strong 1 引言 /strong /span /p p 　　在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术，就叫做冷冻电子显微镜技术，简称冷冻电镜(cryo-electron microscopy， cryo-EM)。冷冻电镜是重要的结构生物学研究方法，它与另外两种技术：X射线晶体学(X-ray crystallography)和核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)一起构成了高分辨率结构生物学研究的基础，在获得生物大分子的结构并揭示其功能方面极为重要。 /p p 　　电子显微三维重构技术起源于1968 年，D.J. De Rosier 和Aaron Klug 在Nature 上发表了一篇关于利用电子显微镜照片重构T4 噬菌体尾部三维结构的著名论文，提出并建立了电子显微三维重构的一般概念和方法。Aaron Klug 本人也因为这个开创性的工作获得了1982 年的诺贝尔化学奖。 /p p 　　为了降低高能电子对分子结构的损伤，Kenneth A. Taylor 和Robert M. Glaeser 于1974 年提出了冷冻电镜技术，并且用于实验研究。经过三十多年的发展，冷冻电镜技术已经成为研究生物大分子结构与功能的强有力手段。冷冻电镜本质上是电子散射机制，基本原理就是把样品冻起来然后保持低温放进显微镜里面，利用相干的电子作为光源对分子样品进行测量，透过样品和附近的冰层，透镜系统把散射信号转换为放大的图像在探测器上记录下来，最后进行信号处理，得到样品的三维结构。 /p p 　　在超低温的条件下，电子带来的辐射损伤被有效控制。即便如此，分子样品所能承受的辐射剂量也是非常低的，导致信噪比非常低。另外，随着观测的进行，额外的电子会累积而造成分子的移动，导致获得的图像变得模糊。这就好比用一个简单的傻瓜相机拍摄在雨中飞驰的子弹，得到的影像必然是模糊的并且充满噪音。因此，冷冻电镜的方法技术在很长时间内只能确定个头比较大的样品的结构，比如病毒颗粒的结构，而且通常分辨率都不高。然而随着工程技术和算法的不断发展，能够确定的分辨率也越来越高(图1(a))，2016 年发布的谷氨酸脱氢酶结构的分辨率甚至已经达到了1.8 Å 。与此同时，也有越来越多的通过冷冻电镜技术得到的研究成果发表在高水平的期刊上(图1(b))，冷冻电镜正备受科学界的关注。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/5b2ef847-cad0-4d88-b1ad-ebf14bd21e9c.jpg" title=" 1.jpg" / /p p 　　图1 冷冻电镜技术和单颗粒重构技术越来越备受关注(统计数据来源于EMDataBank )(a)不同年份中利用冷冻电镜单颗粒重构技术能够达到的最高分辨率 (b)通过冷冻电镜技术进行的研究成果在不同杂志上发表的论文数 /p p 　　在最近几年，冷冻电镜技术有了革命性的进步，主要得益于三个方面的突破。首先是样品制备，通过利用薄膜碳层甚至石墨烯可以用更薄的冰层包裹分子样品来提高信噪比。第二个突破是电子的探测技术，也就是电子探测器的发明。在300 keV 电子的轰击下，传统的器件都会被高能量打坏，因此在电子探测器出现之前，冷冻电镜中使用的CCD相机需要将电子打在探测器上变成光信号，再通过CCD 把光信号转成电信号后得到图像，“电光—光电”转换的过程降低了信噪比。而现在电子探测器能够直接探测电子数量，同时，互补型金属氧化物半导体(CMOS)感光元件的应用使得探测器支持电影模式(movie mode)，可以在一秒钟之内获得几十张投影图片。通过后期对样品进行漂移修正，再把这几十张图片叠加起来，从而大幅提高成像的信噪比。模糊的子弹一下子变得清晰，冷冻电镜的分辨率不断上升。第三个突破是计算能力的提高和软件算法的进步。冷冻电镜的模型重构通常需要对几万甚至几十万张投影图片进行分析、组装和优化。这需要先进的计算资源配合有效的算法才能实现。基于贝叶斯理论的模型重构框架解决了这个问题，我们在下文中详细介绍。综上所述，冷冻电镜技术不仅提高了空间分辨率，而且可以应用于很多以前不能解决的生物大分子的结构研究。 /p p 　　具有里程碑意义的成果是，2013 年加州大学旧金山分校(UCSF) 程亦凡和David Julius 的研究组首次得到膜蛋白TRPV1 的3.4 Å 近原子级别高分辨率三维结构，结果发表在Nature 上。我国在冷冻电镜的应用领域也有很大突破，代表性工作包括清华大学的施一公研究组和剑桥大学MRC 实验室Sjors H.W. Scheres 研究组合作在2015 年获得的γ 分泌酶复合物结构( 图2(c))， 以及2015 年清华大学高宁研究组和香港科技大学戴碧瓘研究组合作得到的3.8 Å 的真核生物MCM2-7 复合物结构 2015 年北京大学毛有东研究组、欧阳颀研究组与哈佛医学院吴皓研究组合作得到炎症复合体的高分辨率三维结构(图2(a)) 2014 年中国科学院生物物理研究所朱平研究组和李国红研究组合作得到的30 nm 染色质左手双螺旋高级结构(图2(b))以及2016 年中国科学院生物物理研究所柳振峰、李梅、章新政三个研究组合作得到3.2 Å 的捕光复合物II 型膜蛋白超级复合体结构。这些成果在结构生物领域得到巨大的反响，这也使得冷冻电镜高分辨率成像技术获得空前的关注。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/44d05be3-281b-4507-b0fc-9d200025422f.jpg" title=" 2.jpg" / /p p 　　图2 我国在冷冻电镜领域中获得高质量的研究成果(a)近原子分辨率的炎症复合体结构(图中NBD为核酸结合结构域，HD1 为螺旋结构域-1，WHD为翼螺旋结构域，HD2 为螺旋结构域-2，LRR为亮氨酸重复序列) (b)30 nm 染色质左手双螺旋高级结构 (c)3.4 Å 的人源γ 分泌酶复合物结构(图中NCT是一种I 型单次跨膜糖蛋白，APH-1 为前咽缺陷蛋白-1，PS1为早老素-1，PEN-2 为早老素增强子-2) /p p 　 strong span style=" background-color: rgb(112, 48, 160) color: rgb(255, 255, 255) " 　2 图像处理技术 /span /strong /p p 　　经过多年的发展，目前冷冻电镜的数据处理部分主要包含了以下的流程(图3)： /p p 　　(1) 衬度传递函数的修正(CTF correction) /p p 　　(2) 样品分子投影数据的筛选(particle selection) /p p 　　(3) 二维投影数据的分类和降噪(2D analysis) /p p 　　(4) 三维模型的重构和优化(3D reconstruction and refinement) /p p 　　(5) 多重构象的结构分析(heterogeneity analysis) /p p 　　(6) 对重建结构分辨率的分析(structure resolution assessment) /p p 　　(7) 结合生物化学原理和实验数据对三维结构的解读(model interpretation and validation) /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/ef81cf1e-580c-4eda-9e77-e2edc542f953.jpg" title=" 3.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　图3 冷冻电镜数据分析处理流程 /p p 　　图像处理软件的发展对冷冻电镜单颗粒重构技术极其重要，当前广泛使用的电镜分析软件系统主要包括SPIDER，EMAN2， FREALIGN，SPARX，RELION等。对于刚刚接触单颗粒重构技术的人来说，更偏好集成的软件套装来完成整个分析流程。我们在表1 中列出了大部分主流的综合冷冻电镜图像处理软件，以供参考。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/f4fafde5-da41-422a-acc4-bcd118be0c8e.jpg" title=" 4.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　表1 冷冻电镜中流行的图像处理软件 /p p 　　 strong 2.1 衬度传递函数估计与修正 /strong /p p 　　衬度传递函数(contrast transfer function，CTF)是在数学上描述通过透射电子显微镜得到样品图像上的像差变化。准确地判断衬度传递函数对于确认显微图像的质量以及后续的三维结构重建极为重要。常用的估算衬度传递函数的参数软件是CTFFIND4。确定了CTF 的参数以后，就可以对采集到的冷冻电镜图像进行修正。这个修正过程其实就是图像处理中的图像复原技术。 /p p 　　 strong 2.2 颗粒挑选 /strong /p p 　　接下来需要从原始数据中筛选出颗粒投影，也被称为“颗粒挑选”，颗粒挑选的好坏也将影响所有后续的分析和处理过程，是一个重要并且繁琐的步骤。颗粒挑选方式可以分为手动挑选、半自动挑选和完全自动挑选这几种。 /p p 　　在早期的分析中，对于结构的了解还非常少，优先考虑的都是人工挑选。但是自动的颗粒图像获取方法的出现使得在很短时间内可以收集数十万张颗粒图像，人工挑选大量的颗粒图像不太现实，并且人工的挑选通常会过于集中于某一类颗粒图像，导致遗漏和偏差。 /p p 　　 strong 半自动和全自动的方法主要有以下三类： /strong /p p 　　(1)通过例如降噪、反衬增强、边缘算子等图像形态学方法搜索区域，基于数字图像处理学的原理，将颗粒图像与背景分离开来。 /p p 　　(2)基于模板的方法，通过扫描数据图像和已知的模板比较来挑选出潜在的颗粒图像，模板的来源通常为手动选出的数据图像中较为清晰的颗粒图像，或者是已知结构的投影。 /p p 　　(3)结合无模板和有模板的方法，通过一些有监督的机器学习算法进行颗粒挑选。 /p p 　　随着图像识别领域中深度学习方法的流行，各类基于深度学习的颗粒识别框架也被引入到颗粒挑选的过程中。随着深度学习方法的发展，相信如何把深度学习方法应用到单颗粒冷冻电镜图像分析领域的研究将会越来越多。 /p p 　　 strong 2.3 二维图像分析——颗粒图像的匹配与分类 /strong /p p 　　二维颗粒图像的分类是获取三维结构过程的第一步。对二维图像的分析包括两部分：颗粒图像的匹配和颗粒图像的分类。 /p p 　　匹配的过程通常会对颗粒图像应用一些变换操作，通过关联函数去判断不同颗粒图像之间的相似程度。图像匹配的算法主要分为两种，即不依赖模型的方法和基于模型的方法，取决于是否存在利用样本先验信息得到的模板。 /p p 　　随着图像匹配的完成，颗粒图像需要进行分类。主要利用多元统计分析和主成分分析方法等算法，其他流行的二维颗粒分类技术还有神经网络分类，将图像在二维空间自组织映射(self-organising mapping，SOM)再进行分类和排序。 /p p 　　二维图像分析的目的是，首先通过图像匹配消除旋转和平移的误差，利用类内紧致、类间离散的原则进行图像分类，最终可以对类内颗粒图像进行平均，提高信噪比，从而实现对高分辨率三维结构的构建。 /p p 　　 strong 2.4 模型重构和优化 /strong /p p 　　模型三维重构的基础是中心截面定理，重构过程中的关键问题是如何确定每个颗粒图像的空间角(orientation determination)。大多数模型重构和优化算法都是基于投影匹配(projection matching)的迭代方法。简单说就是，先利用粗糙的三维结构模型，进行投影得到参考的图像，和实验颗粒图像进行比对，根据结果来更新空间方位参数，继而构造新的三维结构，对实验图像的空间方位修正，形成迭代的过程，直至收敛就获得了最终的三维模型。 /p p 　　 strong 2.5 分辨率的确定及二级结构的确定 /strong /p p 　　在模型优化的过程中，通常有很多指标给出结构的分辨率信息。目前一个较为广泛使用的分辨率信息参数是被称为傅里叶壳层关联函数(Fourier shell correlation，FSC)曲线，并通过在曲线上选取一个合适的阈值来判定分辨率。 /p p 　　在模型优化中经常伴随着过拟合的问题。过拟合的出现通常由于在优化过程时无法分辨“噪声”与“信号”。为了避免过拟合对分辨率的误判，最近一种被称为“黄金标准”(gold standard)的优化过程开始被广泛使用。 /p p 　　根据不同的分辨率，可以从结构中得到不同的信息量。按照分辨率数值大致分为三个范围： /p p 　　(1)结构分辨率大于10 Å 的生物大分子结构被视为低分辨率的结构，在低分辨率的结构范围内只观察得到一个大致的整体形状，以及有可能分辨出主要成分的相互位置关系。 /p p 　　(2)一个中等分辨率的生物大分子结构精度大约在4—10 Å 之间，在这个分辨率范围内的生物大分子结构已经可以得到一些二级结构的信息和分辨出大部分组成结构的相对位置关系。分子结构之间如果存在构象变化也可以分辨出来。 /p p 　　(3)高精度甚至是近原子级别的分子结构分辨率可以达到4 Å 以下。在高分辨率的三维结构中，可以准确地看见如α肽链等的二级蛋白质结构以及部分单独的残基，多肽链的结构变得清晰起来。同时高分辨率的分子结构可以描述精确的构象变化。 /p p 　　总之，FSC 曲线等标准提供的分辨率是一个有指导意义的数字，不可作为绝对参考来评价所获得的模型质量，需要批判地对待，尤其是要与生物分子系统的生物化学知识相结合。 /p p 　　 strong 2.6 三维结构的多构象性和动态分析 /strong /p p 　　生物大分子通常具有内禀的柔性，所以生物分子的动态结构变化以及结构的不均一性一直是结构生物学的研究重点之一。在晶体状态下，生物分子的结构变化被晶格约束，一般只提供一个静态的结构和有限的动力学参数。冷冻电镜相比晶体学方法的优势在于可以捕捉生物分子在溶液中的形态，并记录下不同构象下的投影。因此针对冷冻电镜的数据可以进行多构象的重构，现有的一些算法是通过聚类分析、最大似然法分析等对多构象进行分析，得到的生物大分子结构形态和构象差异还需要结合分子功能来检验分子结构的合理性。 /p p 　　 strong span style=" background-color: rgb(112, 48, 160) color: rgb(255, 255, 255) " 3 最新进展和突破 /span /strong /p p 　　 strong 3.1 最大似然估计理论 /strong /p p 　　近年来在单颗粒分析中取得重大突破的应当是最大似然估计(maximum likelihood)理论。最大似然估计的理论可以贯彻整个单颗粒技术图像分析的过程，在图像匹配，2D、3D分类 和模型优化上均可以应用，是一个强有力的理论工具。最大似然估计的算法已经在RELION、FREALIGN 等软件中实现，方便普通用户使用，这对于推动冷冻电镜成像技术的应用有重大意义，近三四年来有许多突破性的近原子级别分辨率的分子结构大多是由基于最大似然估计理论的分析软件得到。 /p p 　　3.1.1 减少计算需求 /p p 　　最大似然估计算法的计算量很大，如何降低计算量是一个重要问题。过多的计算资源消耗曾经阻碍这个方法在冷冻电镜单颗粒重构中的广泛应用。在减少最大似然算法在冷冻电镜应用中的计算需求方面，有两个重要的贡献是空间降维(domain reduction)算法和网格插值(grid interpolation)算法。 /p p 　　我们最近在研究一个新的方法来对旋转参数进行分步处理，初步的结果显示这种方法可以把计算复杂度降低一个维度，这个方法可很好地应用于高信噪比的数据处理，但对于低信噪比的数据分析还需要对该方法进行改进。 /p p 　　3.1.2 对最大似然方法的未来展望 /p p 　　在未来的研究中，关注点是减少计算的耗时和增加准确度。通用图形处理器(GPU)的应用和CUDA 编程框架已经显示出了在高性能计算领域的威力，研究表明GPU 技术可以显著减少计算时间，而RELION 也将发布支持GPU 计算的2.0 版本。 /p p 　　在加快计算速度的同时，提高模型的重构的准确性则更为重要。如何提高颗粒图像的准确性以及最大似然方法在这些方面的应用还有待深入探索。总而言之，最大似然方法独特的、可扩展的统计理论框架可以适用在冷冻电镜的各种问题上，如多构象、低噪声、信息缺失中均有很好的应用。 /p p 　　 strong 3.2 流形嵌入方法(Manifold Embedding) /strong /p p 　　自然界的分子过程通常是连续的，比如三磷酸腺苷(ATP)合成酶等分子结构的状态变化通常都是连续的。现有的方法只能得到有限的、若干个离散的构象变化，限制了我们对于分子结构的进一步观察。而流形嵌入法则是通过将颗粒图像映射到具有特定拓扑结构的参数空间(manifold space)，可以分辨出更为细致的动力学变化，进而实现对生物分子连续的结构变化过程的研究。Ali Dashti 等人已经利用这种方法成功刻画出核糖体的结构变化路径。 /p p 　　 strong 3.3 揭开表面看实质 /strong /p p 　　冷冻电镜对更为复杂的结构并没有很好的处理方式，在一些分子量比较大，包含多层的病毒结构研究中，一直没有高分辨率的三维模型，这也是由于病毒普遍具有对称失配的特性，基因结构被壳体完全覆盖，无法通过二维图形处理的方式对内部结构直接进行重构。刘红荣教授通过改进衬度分离方法展示出了解决该类问题的途径，其发展的新方法已经成功应用在一个多面体衣壳NCPV的病毒颗粒(图4)上，通过该重构方法，使得外部的衣壳结构(图4(a))和内部的基因组结构(图4(b))分离，成功得到包含在内部的dsRNA 近原子级高分辨率结构和分布。 /p p style=" text-align: center" img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/7ab0c5f3-c403-4231-924f-9900a3758eb7.jpg" title=" 5.jpg" / /p p 　　图4 利用衬度分离方法得到对称失配情形下的病毒颗粒结构(a)外部的衣壳结构 (b)内部的基因组结构 /p p 　　 strong 3.4 罗马不是一天建成的(Building Protein in One Day) /strong /p p 　　最近的研究成果显示，最大似然估计算法能够更好更快地完成三维重构，多伦多大学的Marcus A. Brubaker 教授针对最大似然估计算法提出了优化，有效地缩短了三维重构所需的时间。对传统迭代算法极度依赖于初始模型结构的缺点进行改进，同时通过采样优化的方式降低了计算量，减少计算时间，据称这些优化可以达到100000倍的加速，利用一台计算机工作站在一天内就能完成模型重构。 /p p 　 strong span style=" background-color: rgb(112, 48, 160) color: rgb(255, 255, 255) " 　4 展望与总结 /span /strong /p p 　　冷冻电子显微镜技术已经发展成为一个成熟的方法，应用于各种复杂的生物分子体系的高分辨结构研究。按照目前的发展势头，解决生物分子结构组(structural proteome)的问题已经不是遥不可及的了。在解决单一静态结构的基础上，冷冻电镜也展示了其研究多构象体系的潜力。下面对冷冻电镜在结构生物学研究领域的应用做一些大胆的展望，希望能抛砖引玉。 /p p 　　 strong 4.1 解决膜蛋白的结构 /strong /p p 　　由于膜蛋白是镶嵌在磷脂分子构成的细胞膜内，目前在冷冻电镜领域的样品制备还没有很好的处理方法，因此还很少见到对膜蛋白的结构解析。随着技术的发展，新的试剂分子或者纳米尺度的容器可以用来制备单一性很高的稳定的细胞膜以及镶嵌在内的膜蛋白。这样就可以利用冷冻电镜的方法对膜蛋白进行结构研究。目前在纳米盘(nanodiscs)的研究领域已经取得了一定的进展，对 /p p 　　冷冻电镜解析高精度的膜蛋白结构，我们拭目以待。 /p p 　 strong 　4.2 细胞内分子结构测定：从溶液内(in vitro)到细胞内(in situ) /strong /p p 　　当前的高分辨分子结构基本都是在溶液中提纯出来的分子样品，也就是通常所说的in vitro 实验。现在可以利用快速冷冻的方法把细胞固定，再用高能粒子枪对细胞进行高精度切片。在细胞的某些部位，常常有大量同类分子聚集，比如在内质网(endoplasmic reticulum，ER)部分有很多核糖体，在细胞骨架上会有大量的肌动蛋白(actin)分子。对这些切片进行成像研究可以获取这些分子在细胞环境的结构信息。 /p p 　 strong 　4.3 细胞结构和分子在细胞内的分布：从部分到整体 /strong /p p 　　电镜可以用来做断层成像(cryogenic computed tomography，cryo-CT)，应用于亚细胞层面的研究，比如细胞器的结构，蛋白质分子的分布，以及一些细胞骨架的构成。与超低温样品操作结合，cryo-CT 可以提供更高分辨率的信息，衔接分子层面和细胞层面的知识，对于了解细胞功能至关重要。在电镜成像研究领域，这将是一个有广阔前景的课题。 /p p 　 strong 　4.4 多构象的识别和自由能景观确定 /strong /p p 　　人们开始不满足于近原子级别分辨率能够提供的信息，想要进一步刻画分子结构连续变化的状态。得益于冷冻电镜的成像特性，相对其他技术而言，冷冻电镜技术在时间尺度的系综上具有优势。在冷冻电镜下分子结构的动力学研究中，有两个值得关注的趋势，分别是能够获取分子结构“ 慢” 反应过程(10—1000 ms) 时间分辨(time-resolved)的冷冻电镜技术，以及能够分析出连续构象变化的分类算法。获取短期反应过程(10—1000 ms)分子结构的基础是在准备样本过程中分子反应的速度慢于冷冻样本的时间，目前混合喷雾(mixing-spraying)等快速冷冻技术的实现使得一些较慢的反应过程可以看到动力学变化。而流形嵌入算法在分类过程中取得突破，在更好地利用冷冻电镜观察分子的平衡态结构动力学变化和展现自由能景观上取得了令人鼓舞的成果。 /p p 　 strong 　4.5 从静态结构到动态分子电影 /strong /p p 　　生物分子在室温下是活跃的，而且大多数的分子功能是通过结构的变化来实现的。基于X射线， 尤其是最近发展的X 射线自由电子激光(XFEL)的结构生物学的研究重点之一便是实现时间分辨的结构生物学研究(time-resolved structure determination)。到目前为止，基于X 射线的研究取得了很大的进展，但主要还是局限在对晶体的衍射方面，比如对光合作用过程中水分子分解的研究和光敏黄蛋白的光吸收过程的研究。三维冷冻电镜的单颗粒成像技术最有希望在单分子水平上实现对时间分辨的结构变化研究，同时，这对于样品制备和实验操作提出了非常高的要求。 /p p 　 strong 　5 结束语 /strong /p p 　　冷冻电镜的技术突破及其在生物分子结构领域的应用把我们对分子生物学的研究推进了一大步，开始探索未知的区域。立足于解决单一构象的基础，对多构象以及动力学过程和热力学的研究也需要展开，这需要对现有技术进行提升并与其他方法进行结合，计算建模和模拟的方法也需要紧密结合起来，实现对生物分子系统的集成研究。 /p p 　　致谢 感谢北京大学欧阳颀教授对文章写作提出的宝贵意见。 /p

p 　　2月12日电突触是大脑行为、意识、学习与记忆等功能的基本结构与功能单元，也是多种脑疾病发生的起源。近期，中国科学技术大学教授毕国强、刘北明与美国加州大学洛杉矶分校教授周正洪组成课题组，利用冷冻电镜技术对完整突触进行了系统性定量分析。美国神经科学学会会刊《神经科学》日前以封面形式对此进行了报道。 /p p 　　精确解析突触的分子架构及活动过程，被认为是解密大脑奥妙的最有效方式。早期的研究者发现了突触中的分子和细胞器组份，揭示了突触的各种功能特性和规则。但由于手段局限，对其机理还远没有充分观察和解析。 /p p 　　近期，课题组利用冷冻电镜技术，结合自主研发的冷冻光电关联显微成像技术，实现了对中枢神经系统中两类最主要突触——兴奋、抑制性突触的精确区分，以及结构特征的定量化分析。他们将大鼠的海马神经元培养在冷冻电镜的特型载网上，快速冷冻并直接成像，获得了一系列完整突触在近生理状态下的三维结构。结合定量分析手段，了解了抑制性突触的均匀薄片状突触后致密区结构，获得了突触在分子水平的精细组织架构，实现了在突触原位直接观察单个神经递质受体蛋白复合物及其与支架蛋白的相互作用。 /p p 　　据介绍，这是当前国际上首次利用冷冻电镜技术对完整突触进行系统性定量分析，推动了对突触超微结构与功能这一“黑匣子”的解密。另一方面，为突破冷冻电镜技术在复杂细胞体系中原位解析生物大分子复合物组织结构这一技术难题，奠定了基础。 /p

6月29日，中国政府采购网发布《中国疾病预防控制中心公共卫生创新计划项目-病原冷冻电镜结构研究平台和高通量数字玻片成像系统公开招标公告》，中国疾病预防控制中心拟以9260万元人民币采购一批仪器设备，包含300kv冷冻透射电子显微镜1台（套），200KV冷冻透射电子显微镜1台（套），冷冻双束电镜1台（套），120kv透射电子显微镜1台（套），工作站1台（套），高压冷冻仪1台（套），冷冻电镜投入式冷冻制样设备2台，辉光放电仪1台（套），等离子清洗仪1台（套），真空离子溅射仪1台（套），正置荧光显微镜 （FIB光电联用光镜）1台（套），倒置荧光显微镜1台（套），液氮罐1台（套），高通量数字玻片成像系统1台（套）。以上仪器均接受进口产品。采购需求：包号品目号品目名称数量（台/套）是否接受进口产品分包预算金额（人民币万元）备注11-1300kv冷冻透射电子显微镜1是9000非单一产品采购包核心产品1-2200KV冷冻透射电子显微镜1是1-3冷冻双束电镜1是1-4120kv透射电子显微镜1是1-5工作站1是1-6高压冷冻仪1是1-7冷冻电镜投入式冷冻制样设备2是1-8辉光放电仪1是1-9等离子清洗仪1是1-10真空离子溅射仪1是1-11正置荧光显微镜 （FIB光电联用光镜）1是1-12倒置荧光显微镜1是1-13液氮罐1是22-1高通量数字玻片成像系统1是260单一产品采购包交货期合同签订后12个月内交货地点/项目现场中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所指定地点用途实验备注：本项目采购标的对应的《中小企业划型标准规定》所属行业为：工业采购标的需满足的质量、安全、技术规格、物理特性等要求：第1包 品目1-1 300kv冷冻透射电子显微镜一、技术参数：1、分辨率 ▲1.1、信息分辨率：≤0.12nm1.2、点分辨率：≤0.25nm1.3、线分辨率：≤0.14nm2、电子枪2.1、采用场发射电子枪2.2、使用寿命≥1年2.3、束斑漂移：≤0.5nm/min （10分钟内平均束斑漂移）2.4、亮度：≥7.5*107 A/m2srV2.5、辐射安全：≤0.5uSv/hr@距离0.1米电子枪3、加速电压3.1、最高加速电压：≥300kV3.2、在80kV至300kV间加速电压连续可调4、照明系统4.1、完全平行光系统，可实现多模式照明，在TEM模式中对大视野和可变视野都能够平行照明。▲4.2、线性畸变≤0.5% (TEM模式在18k×和155k×放大倍数之间)5、控制系统：控制软件具备应用脚本软件，用户可自行编写程序控制电镜进行特定或某些复杂的实验。6、真空系统：无油真空系统。7．放大倍数7.1、TEM模式放大倍数范围100×-700,000×7.2 在任何放大倍数实现完全无旋转成像8、物镜8.1、相机长度范围：300mm-2,500mm8.2、焦距≥3.5mm 8.3、物镜极靴间距≥10mm8.4、球差系数：≤3mm8.5、色差系数：≤3mm8.6、物镜光阑：70um、100um9．样品台系统9.1、计算机控制≥4轴样品台9.2、X/Y轴行程≥2mm9.3、Z轴行程≥0.4mm9.4、最大倾斜角度：不少于±70°9.5、最大图像漂移：X/Y方向 ≤1μm(+/- 70°内倾转)9.6、重复性：≤ 400nm(3次重复测试 ) 10. 自动进样系统10.1、一次能够装载≥10个样品，并能够自动更换和转移样品，所有样品均可回收并重复使用。10.2、待用样品在低温样品停泊装置保持在冷冻状态≥120小时。10.3、能够自动补充液氮。10.4、冰生长率：≤1%/24小时 (透射信息损耗)10.5、最低温度：≤-170 ℃10.6、样品交换后漂移：交换40分钟后：≤0.035nm/s▲10.7、同一样品在镜筒内可以保持在冷冻状态，连续收集数据时间≥72小时。11、电镜操作 11.1、具有低剂量曝光功能。11.2、可设置多个用户的等级，每个用户之间的参数 设置相对独立。11.3、要求电镜安装所需房间高度≤4m。12、直接电子探测系统 12.1、像素数≥4000×4000像素。12.2、像素大小≥5μm12.3、电子计数读出模式下量子转化效率（300kV）：0 Nyquist，DQE≥ 0.85；1/2 Nyquist，DQE，≥ 0.65；1 Nyquist，DQE≥0.25。 12.4、超分辨读出模式下，最大画幅≥10000×8000像素。12.5、辅助相机：可伸缩式；采集矩阵≥4K×4K, 像素物理尺寸≥5μm。12.6、原厂集成数据采集软件。12.6.1、能够自动进行单颗粒数据收集包括自动扫描整个样品、测定冰层厚度、进行低剂量数据收集。12.6.2、能够进行自动化电子断层扫描数据采集。13、能量过滤器探测系统 (300kV)13.1、温度稳定性（狭缝漂移/24h）：≤1.5ev13.2、能量狭缝最小宽度：≤2ev13.3、图像几何畸变：≤0.5%13.4、图像色差畸变：≤0.4%13.5、探测器内部帧率：≥200fps14、相位板系统14.1、对比度增强≥140%14.2、采用无孔相位板系统14.3、可自动加热恢复14.4、可用区域≥80%14.5、相位偏转：40-80nC剂量时，≥0.2πRad二、主要配置：1、300kV冷冻电镜主机：1套2、直接电子探测器：1套（含辅助相机）3、能量过滤器系统：1套4、三维重构软件：1套 5、相位板：1个6、备用场发射灯丝：1根7、冷冻电镜配套UPS电源（断电情况下维持一小时）：1台 8、冷冻电镜上样专用耗材：1000套三、验收和培训1、工作流验证工作：采用标准样品，达到出厂要求。2、10天应用专家现场培训。3、根据项目进展情况进行安装。安装调试完成，符合厂家性能参数验收标准，培训后2个月内，用户进行验收，验收合格后开始计算质保期。 4、供货周期：合同签订后12个月内。5、质保期：3年（包括电镜主机，包括相机，循环水机和空压机）。6、负责电镜安装场地（≤80㎡）环境改造，满足设备使用要求的电磁场、震动、温度、湿度、噪声及地线的指标。品目1-2 200KV冷冻透射电子显微镜一、技术参数：▲1、信息分辨率：≤0.23nm。2、加速电压2.1、最高加速电压：≥200kV2.2、加速电压通过软件控制切换2.3、高压稳定性：≤1ppm/10min3、电子枪3.1电子枪类型：场发射超亮型电子枪，使用寿命≥1年▲3.2 束流：≥0.5nA@1nm束斑4、放大系统4.1 放大倍数：低倍≤100倍；高倍≥650,000倍 4.2 相机长度范围：250mm-2.5m5、真空系统5.1、采用无油真空系统，由机械泵、涡轮分子泵和离子泵等构成5.2、真空度：电子枪真空度≤5 x10-7 Pa；样品区真空度≤2.7 x10-5 Pa6、物镜6.1、球差系数：≤3mm6.2、色差系数：≤3mm7、自动进样系统7.1 一次能够装载和更换≥10个样品，并能够自动更换和转移样品。待用样品在低温样品停泊装置保持在冷冻状态连续无污染存放时间≥72小时。样品可以回收和重复使用。7.2、能够自动补充液氮。7.3、冰生长率：≤5%/24小时 (透射信息损耗)7.4、最低温度：≤-170 ℃7.5、样品交换后漂移：交换60分钟后，≤0.05nm/s8、样品台 8.1、X/Y轴行程：不少于±1mm；8.2、Z轴行程：不少于±0.35mm；8.3、最大倾斜角度：不少于±70°；9、直接电子探测系统 9.1、像素矩阵≥4000×4000像素9.2、像素大小≥5μm9.3、超分辨读出模式下，最大画幅≥ 10000×8000像素9.4、原厂集成数据采集软件。9.4.1、能够自动化地进行单颗粒数据收集——自动扫描整个样品，测定冰层厚度，进行低剂量数据收集。9.4.2、能够进行自动化的电子断层扫描数据采集。10、相机系统10.1、像素数≥4000 ×4000像素10.2、像素大小≥10μm10.3、读取速率：≥1 fps@4kx4k；≥25 fps@512x51211、电镜操作11.1、具有低剂量曝光功能。11.2、可设置多个用户等级，每个用户之间的参数设置相对独立。二、主要配置：1、200kV冷冻电镜主机：1套2、直接电子探测器系统：1套3、相机：1套4、备用场发射灯丝：1根 5、配套UPS电源（断电情况下维持一小时）：1套6、三维重构软：1套 7、电镜主机配套操作和数据收集软件:1套三、售后服务：1、供货周期：合同签订后12个月内。2、质保期：验收合格后3年（包括相机，循环水机和空压机、电镜主机）。3、负责电镜安装场地（≤60㎡）环境改造，满足设备使用要求的电磁场、震动、温度、湿度、噪声及地线的指标。品目1-3 冷冻双束电镜一、设备用途： 用于冷冻电子断层三维重构样品的制备工作。二、技术参数1、电子源： 1.1、肖特基场发射电子枪；1.2、使用寿命：≥9个月；1.3、束流范围：1.5pA-300nA；1.4、加速电压范围：500V-30kV；▲1.5、冷冻状态分辨率（冷台）：≤6nm@ 2kV2、 离子源 2.1、离子源寿命：≥1000小时；2.2、加速电压范围：500V -30kV； 2.3、离子束流：1.5pA–50nA范围内≥12挡可选；2,4、具备针对非导电样品的漂移抑制模式；▲2.5、离子束分辨率（冷冻状态）：≤7.0nm@30kV3、真空系统 3.1、无油真空系统；3.2、仓室真空度：室温，≤4*10-4 Pa；冷冻，≤8*10-5 Pa；4、冷冻样品台 4.1、可旋转冷台，冷冻条件下旋转范围：≥360°；4.2、冷冻降温时间：≤30min；4.3、XY轴行程：≥50mm；4.4、Z轴行程：≥40mm；4.5、冷冻状态下倾斜角范围：-10°~ +50°；4.6、冷冻温度：≤ -170℃；5、图像处理 5.1、图像存储格式：TIFF（8bit, 16bit或24bit）、BMP、JPG；5.2、图像存储矩阵：≥ 6000×4000像素；5.3、电子扫描旋转：≥360°5.4、驻留时间范围（扫描）：25ns/pixel-25ms/pixel；6、冷冻机械臂6.1、机械臂针尖温度：≤-160°6.2、机械臂漂移：≤250nm/min6.3、集成红外观测相机，用于样品和腔室观测；6.4、内置样品沉积保护层，可以待剪薄切片层保护，避免被离子束损伤； 6.2、内置喷镀装置，对冷冻下的剪薄切片进行导电化处理。三、主要配置：1、双束主机：1套2、空压机、循环水机、UPS电源：1套3、光电联用软件：1套4、电镜主机操作系统软件：1套5、耗材5.1、备用场发射灯丝：1根5.2、备用离子源：2个5.3、上样耗材：100个四、售后服务：1、供货周期：合同签订后12个月内。2、质保期：验收合格后3年（包括相机，循环水机和空压机、电镜主机）。3、负责电镜安装场地（≤40㎡）环境改造，满足设备使用要求的电磁场、震动、温度、湿度、噪声及地线的指标。品目1-4 120kv透射电子显微镜一、技术参数：1、物镜1.1、线分辨率≤0.2nm 1.2、放大倍数：30×-600,000×，放大倍数全程连续可调，包含所有模式。1.3、恒定功率双物镜设计，具备高对比度模式，配置物镜高对比度极靴。1.4、焦距≥3mm1.5、极靴间距：≥10mm2、电子源2.1、热电子型电子源 ▲2.2、加速电压：20 kV-120kV2.3、高电压切换时间：≤1分钟3、照明系统3.1、照明模式：具备平行光模式和汇聚束模式3.2、透镜级数：≥2级聚光镜，用户可选强度限制（用于样品保护）和缩放限度（用于恒定屏幕强度）。4、成像系统▲4.1、成像系统：CPU控制≥6级透镜系统，物镜、中间镜和投影镜均≥2级。4.2、图像不随放大倍数放大而旋转， XY样品移动方向，XY坐标不变。4.3、衍射长度：0.1-8m。4.4、探测相机（速度≥40fps）和主相机，探测相机实现远程控制电镜。4.5、全自动控制聚光镜光阑、物镜光阑系统。4.6、可自动聚焦，并调整欠焦量。4.7、自动补偿：可以自动补偿合轴、自动补偿图像旋转。5、真空系统5.1、配置机械泵、分子泵和离子泵构成的无油真空系统。5.2、镜筒真空度：冷却温度下，≤2×10-5 Pa；环境温度下≤3.5×10-5 Pa6、样品台6.1 样品杆：单倾样品杆6.2、样品移动：6.2.1、样品移动：CPU控制≥5轴马达驱动。6.2.2、样品位移：X/Y：≥2 mm，调节步长≤0.05 μm；Z：≥0.70 mm。6.3、样品台倾斜角：不少于±80◦，调节步长≤0.5◦6.4、漂移：≤1 nm/min（标准样品杆）7、主相机 7.1、像素矩阵：≥4k×4k 7.2、像素大小：≥10um7.3、冷却方式：水冷7.4、图像存储模式：tiff、jpg、bmp、gif等各式自由转换。二、主要配置要求：1、120kV冷冻电镜主机：1套2、主相机：1套3、备用六硼化镧灯丝：3支4、备用钨灯丝：50支 5、120kv配套 UPS电源：1台6、主机配套标准操作软件：1套三、售后服务：1、供货周期：合同签订后12个月内。2、质保期：验收合格后3年（包括相机，循环水机和空压机、电镜主机）。3、负责电镜安装场地（≤20㎡）环境改造，满足设备使用要求的电磁场、震动、温度、湿度、噪声及地线的指标。品目1-5 工作站一、用途：用于300kv和200kv 冷冻电镜的数据存储和数据处理。二、技术参数：

p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/insimg/e2f81b1e-e30b-4ff6-8cc6-54a29e2ec276.jpg" title=" 20180211094445855.jpg" / /p p 　　记者10日从中国科学技术大学获悉，该校科研人员在利用冷冻电镜解析神经突触超微结构方面取得突破，解密了神经突触“黑匣子”。 /p p 　　国际学术期刊美国神经科学学会会刊《神经科学期刊》(《Journal of Neuroscience》)近日以封面形式报道了该项研究成果。 /p p 　　突触是大脑行为、意识、学习与记忆等功能的最基本结构与功能单元，同时也是多种脑疾病发生的起源。精确解析突触的分子组织架构及其在神经活动过程中的变化，被认为是解密大脑奥妙的最直接有效的方法，也是神经科学中最基础的研究工作之一。 /p p 　　早期，生化与分子生物学、电生理学等研究发现了突触中的各种大量分子和细胞器组份，并揭示了突触的各种功能特性和可塑性规则。然而，由于研究手段的局限，突触中的这些不同组件是如何组织成复杂的机器来执行不同的功能，还远远没有充分观察和解析。 /p p 　　中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心与生命科学学院毕国强、刘北明与周正洪教授合作，利用最新发展的冷冻电子断层三维重构技术(cryoET)，结合自主研发的冷冻光电关联显微成像技术，实现了对中枢神经系统中两类最主要突触的定量化分析。通过将大鼠的海马神经元培养在冷冻电镜的特型载网上，课题组获得了一系列完整突触在近生理状态下的三维结构。 /p p 　　结合定量分析手段，首次报道了抑制性突触的均匀薄片状突触后致密区结构，并发现两类突触中均存在椭球状突触囊泡，结束了关于两类突触在突触囊泡和突触后致密区形态精细结构上的由来已久的争论。 /p p 　　随后，课题组进一步获得了突触在分子水平的精细组织架构，实现了在突触原位直接观察单个神经递质受体蛋白复合物及其与支架蛋白的相互作用。 /p p 　　这是当前国际上首次利用冷冻电镜技术对完整突触进行系统性定量分析。该工作一方面推动了对突触超微结构与功能这一“黑匣子”的解密，另一方面为突破冷冻电镜技术在复杂细胞体系中原位解析生物大分子复合物的组织结构这一技术难题奠定了基础。 /p

p 　　在深圳市的大力支持下，南方科技大学冷冻电镜实验室即将在南科大校园内落成，并投入使用。 /p center img alt=" " src=" http://www.sustc.edu.cn/upload/images/news/%E7%A7%91%E7%A0%94%E6%96%B0%E9%97%BB/1.gif" height=" 282" width=" 500" / /center p /p p 　　2017年10月4日三位科学家因为开发并发展了冷冻电镜技术而获得诺贝尔化学奖。南科大在学校发展的战略布局上充分展现了前瞻性，早在2017年6月 10日，冷冻电镜项目就已正式立项，并邀请我国目前最优秀的青年结构生物学家之一杨茂君教授主持。“栽下一棵梧桐树，凤凰就来了”，南科大冷冻电镜实验室主任王培毅教授这样形容实验室对海内外人才强大的吸附力。自项目启动以来，实验室已吸引了来自海内外诸多青年才俊和重量级专家学者的加入。其中包括行业内唯一的中科院院士、我国最早使用冷冻电镜开展生物大分子研究工作的隋森芳院士。今年7月，2017年诺贝尔化学奖的三位得主之一、美国哥伦比亚大学 Joachim Frank教授将应我校陈十一校长邀请到访南科大，探讨开展进一步合作。 /p center img alt=" " src=" http://www.sustc.edu.cn/upload/images/news/%E7%A7%91%E7%A0%94%E6%96%B0%E9%97%BB/%E5%86%B7%E5%86%BB%E7%94%B5%E9%95%9C2%201.gif" height=" 282" width=" 500" / /center p /p p 　　南方科技大学冷冻电镜实验室拟于今年年底正式挂牌成立，届时将同时举办国际研讨会，几乎所有在冷冻电镜方面的国际著名科学家都将出席，包括另一位2017年诺贝尔化学奖得主、剑桥大学MRC-LMB的Richard Henderson教授。 /p p 　　冷冻电镜技术改变了许多生物领域的研究方式，使得诸多研究能够快速取得重大突破。冷冻电镜技术已成为结构生物学研究的利器，这项技术克服了生物分子结构解析中的许多难点，被诺贝尔奖官方称为“使得生物化学进入一个新时代”。图像是我们理解一切事物的关键所在，将那些人眼不可见的物体成功地可视化，通常是科研产生突破的基础。 长久以来，人们认为电子显微镜只能用于非活性生物样品的成像，因为电子显微镜的高强度电子束会严重损伤生物样品，是冷冻电子显微技术改变了这一切。现在，研究人员可以将具有活性的生物大分子快速冷冻到液氮温度(-196度)，并在此温度下保持和转移，使样品最大限度保持原来形态。并将那些以前无法看见的生物变化的动态过程实现可视化——这对我们从原子尺度了解生命过程，以及研发药物带来决定性的影响。 /p center img alt=" " src=" http://www.sustc.edu.cn/upload/images/news/%E7%A7%91%E7%A0%94%E6%96%B0%E9%97%BB/%E5%86%B7%E5%86%BB%E7%94%B5%E9%95%9C3%201.gif" height=" 282" width=" 500" / /center p /p p 　　南方科技大学冷冻电镜实验室拟安装300千伏冷冻电镜6台，200千伏冷冻电镜2台，120千伏电镜2台，共计10台冷冻透射电子显微镜及其它71台/套相关辅助仪器和样品制备设备，全部建成后，将是我国配套最齐全、最先进的冷冻电镜实验室。目前，两台300千伏冷冻电镜已完成安装，进入电镜性能综合调试阶段，预计将于8月开始试运行。一台120千伏电镜将于7月上旬投入使用。据悉，有关冷冻电镜的配置，我校前期作了大量调研工作，包括与实验室科学顾问委员会成员Richard Henderson教授进行了深入探讨，以保证每台冷冻电镜除了拥有一般共性之外，在配置上同时各具不同特性，以适应与支持南科大冷冻电镜实验室在接下来即将开展的一系列世界前沿性基础及应用研究。此外，实验室将积极开展多学科交叉研究，力争在冷冻电镜的软、硬件技术，设备和应用方面取得新的突破，克服冷冻电镜目前操作复杂、控制程序繁琐及应用成本较高的缺陷，实现冷冻电镜的常规应用。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 center img alt=" " src=" http://www.sustc.edu.cn/upload/images/news/%E7%A7%91%E7%A0%94%E6%96%B0%E9%97%BB/%E5%86%B7%E5%86%BB%E7%94%B5%E9%95%9C4%201.gif" height=" 282" width=" 500" / /center p /p p 　　地处粤港澳大湾区核心的深圳是一座新兴科技产业云集的城市，也被人们誉为中国最具有硅谷气质的城市。今年5月26日在深圳举行的“未来论坛X深圳峰会” 上，我校校长陈十一曾指出：和硅谷相比，深圳欠缺的还是基础研究能力，也包括应用基础研究，产业和研究的对接。南方科技大学建设的世界一流冷冻电镜实验室，旨在通过利用这一国际最先进的科学技术之一，大力发展基础科学研究，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14亿中国人。 /p center img alt=" " src=" http://www.sustc.edu.cn/upload/images/news/%E7%A7%91%E7%A0%94%E6%96%B0%E9%97%BB/%E5%86%B7%E5%86%BB%E7%94%B5%E9%95%9C5%201.gif" height=" 282" width=" 500" / /center p /p p 　　在新一轮科技革命和产业变革中，中国将创新作为引领发展的第一动力，把科技创新摆在国家发展全局的核心地位，大力实施创新驱动发展战略。在国家重大需求的牵引和顶层设计的指导下，利用冷冻电镜的技术优势，在核心技术和关键领域实现重大突破，对产业升级、经济转型发展产生巨大推力，正是南方科技大学冷冻电镜实验室建立的初衷和目标。 /p p style=" text-align: right " 　　文字：任亦 /p p style=" text-align: right " 　　视频制作：李艺松 /p p style=" text-align: right " 　　摄像：蔡秉伦 黄立斌 /p

p style=" text-align: center " strong 第四届全国冷冻电子显微学与结构生物学专题研讨会在京举行 /strong /p p 　 strong 　仪器信息网讯 /strong 2015年6月8日-11日，第四届全国冷冻 a href=" http://www.instrument.com.cn/zc/1139.html" 电子显微 /a 学与结构生物学专题研讨会在北京举行，本次会议的主题为“中国冷冻电子显微学的新阶段”。这是冷冻电镜研究领域第一次独立举行的全国性会议，相比于2009年在中国电子显微学年会期间二三十人的一个分会场，此次会议的参加人数达到了近200人。来自海内外的华人学者共聚一堂，交流冷冻电子显微学的最新研究成果。 /p p span style=" color:#0000ff " 　 strong 　三十年的坚持与守望 /strong /span /p p 　　据了解，我国在该领域的研究起始于上个世纪八十年代，当时国内的条件非常艰苦，电镜都没有几台，更不用说计算机、软件系统。然而就是在当时那样艰苦的条件下，以清华大学隋森芳院士为代表的老一辈科学家因为看好这一技术的发展前景，依然坚持推进我国在这一领域的研究工作。同时，一直以来许多海外学者对于国内冷冻电子显微学的发展给予了极大的支持和帮助。 /p p 　　隋森芳在此次会议中多次提到海外学者对于我国冷冻电子显微学发展的贡献。他说：“我们所有这个领域的人都不能忘记他们的贡献。在上个世纪90年代，国内的条件非常困难，我们还处在起步阶段。王大能、周正洪他们这些在国外都已经很有名的学者，每次回来都会来我们的实验室，不分日夜的帮我们安装软件、调试程序，手把手的教学生制样，培养学生。一直到现在，程亦凡、隋海心、章佩君、徐晨等许多海外学者还经常到国内来交流和培训学生。” /p p span style=" color:#0000ff " 　　 strong 迎来新的发展阶段 /strong /span /p p 　　近几年来，随着国家科研投入的加大以及一批优秀的海外学者回到国内。我国在该研究领域与国际先进水平的差距逐渐缩小。在本次会议上就有不少优秀的研究成果展示，如清华大学施一公教授研究组在世界上首次揭示了人源& amp #947 分泌酶复合物(& amp #947 -secretase)的精细三维结构 清华大学王宏伟、生物物理所刘迎芳课题组合作揭示了A型流感病毒RNA聚合酶复合体的三维冷冻电镜结构等。 /p p 　　另外，还有一些学者已经开始从事方法学的研究，尽力去发展完善这一技术。如：中科院生物物理所孙飞与中国科学院计算技术研究所张法合作开发了针对断层扫描成像三维重构算法ICON。 /p p 　　北京大学尹长城介绍说：“在2009年第一届会议上，只要是相关的研究，都可以在会议上作报告。但是现在只有高水平的研究成果才有机会展示。”美国匹兹堡大学教授章佩君也表示：“本次会议报告的水平非常高，我们看到了许多一流的研究成果。” /p p 　　同时为了推进人才培养，近年来国内组织开展了一系列的培训班。如自2008年起每隔一年举行的郭可信电子显微学和晶体学暑期培训班，以及自2013年起每隔一年举行的国际冷冻电镜图像处理技术培训班和今年开始举行的冷冻电镜成像技术培训班。 /p p 　　当前，我国已经有许多年轻的学者成长起来，他们在国际顶尖的实验室做着非常出色的工作，如：英国MRC的白晓辰、畅磊福，还有美国加州大学洛杉矶分校的江健森等。 /p p span style=" color:#0000ff " 　 strong 　百尺竿头 更进一步 /strong /span /p p 　　虽然目前我国在该领域的研究取得了一定的成绩，隋森芳仍然提出：“国内冷冻电子显微学研究这5年的发展非常快，也有一些重要的成绩，但总的来说都还是点，整个领域还需要进一步发展。” /p p 　　另外，国内科研的软环境与国外相比还是有一定的差距。中科院生物物理所黄小俊介绍说，“目前国内研究所需的一些耗材试剂，需要从国外采购，这样不仅耗时、遇到问题沟通交流也不是很方便。”据了解，有时遇到试剂质量问题，甚至会给科研人员的研究带来不必要的困扰，耽误研究进程。 /p p 　　还有伴随着国内冷冻电子显微学的快速发展，技术人才短缺的问题逐渐显现出来。在本次会议上，国家蛋白质科学研究中心(上海)研究员丛尧，还有浙江大学教授洪健都发出了求贤令，希望能有合适的人才加入工作。洪健在会议中表示：“由于待遇体制等方面的原因，引进课题负责人相对容易，要招到合适的冷冻电镜技术人员却很难。” /p p span style=" color:#0000ff " 　 strong 　科研文化的坚守与传承 /strong /span /p p 　　近年来，随着冷冻电镜仪器、直接电子探测相机、图像处理算法的发展，冷冻电镜的分辨率取得了革命性的突破，吸引了越来越多研究人员的关注，许多以X射线晶体学、NMR为技术手段的研究人员也开始进入这一领域。 /p p 　　在隋森芳院士看来，我国冷冻电镜领域的研究人员就像一个大家庭，海内外的研究人员关系一直非常融洽。长期以来，大家相互帮助、相互支持，有很多的交流和合作。他殷切的期望这种文化氛围随着该领域人员队伍的壮大，依然能够得到很好的坚守和传承。 /p p 　　同时，隋森芳指出冷冻电镜的工作需要积累，要做好这一工作，需要从样品制备、电镜技术、结构解析，到问题的解决都要去学习，这是一个系列的完整的工作，切忌急功近利，要耐得住性子，仔细的做好这项工作。 /p p 　　据了解，到目前为止我国已经在清华大学、生物物理所、国家蛋白质科学中心(上海)采购并安装了最先进的Titan Krios透射电子显微镜，浙江大学的第一台Titan Krios即将落户，而电镜三维重构技术的发源地英国目前也只有一台类似的冷冻电子显微镜。王宏伟表示：“和老一辈科学家的艰苦条件相比，我们现在的科研环境好了很多，我们应该抓住机遇，做出更好的成绩。” /p p style=" text-align: right " strong 　　撰稿：秦丽娟 /strong /p p style=" text-align: center " a href=" http://www.instrument.com.cn/webinar/icem2015/" img alt=" " src=" http://img1.17img.cn/17img/old/NewsImags/images/201565105926.gif" style=" width: 600px height: 151px " / /a /p

9月10日，北京生命科学研究所公开招标购买1套冷冻电子显微镜及制样环境配套系统，预算7725万元。　　项目编号：OITC-G210311433　　项目名称：北京生命科学研究所冷冻电子显微镜及配套系统招标采购项目　　预算金额：7725.0000000 万元(人民币)　　最高限价(如有)：7725.0000000 万元(人民币)　　采购需求：包号货物名称数量简要技术规格是否允许采购进口产品采购预算1冷冻电子显微镜及制样环境配套系统1套系统拟购置的冷冻电子显微镜及配套系统, 应用于细胞生物学、微生物及病毒学等领域的研究，对常规、冷冻生物样品超微结构进行成像；应用于结构生物学研究，适用于冷冻单颗粒三维重构、冷冻蛋白质电子晶体学和冷冻电子断层三维成像等三种研究方法，研究生物大分子复合体、膜蛋白复合体和病毒等的亚纳米分辨率三维结构，对细胞/细胞器进行纳米分辨率的三维断层扫描成像。是7725万元　　投标人可对其中一个包或多个包进行投标，须以包为单位对包中全部内容进行投标，不得拆分，评标、授标以包为单位。 具体技术要求详见招标公告所附附件(即，本招标文件第六部分)。　　合同履行期限：合同签订后 90 日内交货并安装完毕。　　本项目( 不接受 )联合体投标。　　开标时间：2021年10月08日 09点30分(北京时间)第六章+技术要求1433.docx

p 　　 strong 仪器信息网讯 /strong 12月7日，西湖大学发布科研仪器设备(第四十一批)项目招标公告，拟 以2428万美元(约合1.67亿元人民币)的金额采购一批冷冻电镜系统，具体包括冷冻电镜集群(包括300kV冷冻透射电镜、200kV冷冻透射电镜、冷冻双束显微镜等)和配套机房(包括电镜存储机房、数据解析室、电镜高算机房)等。开标时间为12月27日。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/44499ddc-f99b-4db0-9314-d568e0dec0de.jpg" title=" 007.jpg" alt=" 007.jpg" / /p p 　　 strong 以下为招标项目概况： /strong /p p strong /strong /p table cellspacing=" 1" cellpadding=" 0" border=" 1" tbody tr class=" firstRow" td style=" border:solid windowtext 1px background:#FBFDFE padding:0 0 0 0" p style=" margin-top:auto margin-bottom: auto text-align:left" strong span style=" font-size:16px font-family:宋体" 序号 /span /strong /p /td td style=" border:solid windowtext 1px background:#FBFDFE padding:0 0 0 0" p style=" margin-top:auto margin-bottom: auto text-align:left" strong span style=" font-size:16px font-family:宋体" 标项内容 /span /strong /p /td td style=" border:solid windowtext 1px background:#FBFDFE padding:0 0 0 0" p style=" margin-top:auto margin-bottom: auto text-align:left" strong span style=" font-size:16px font-family:宋体" 数量 /span /strong /p /td td style=" border:solid windowtext 1px background:#FBFDFE padding:0 0 0 0" p style=" margin-top:auto margin-bottom: auto text-align:left" strong span style=" font-size:16px font-family:宋体" 单位 /span /strong /p /td td style=" border:solid windowtext 1px background:#FBFDFE padding:0 0 0 0" p style=" margin-top:auto margin-bottom: auto text-align:left" strong span style=" font-size:16px font-family:宋体" 预算金额 /span /strong /p /td td style=" border:solid windowtext 1px background:#FBFDFE padding:0 0 0 0" p style=" margin-top:auto margin-bottom: auto text-align:left" strong span style=" font-size:16px font-family:宋体" 简要技术要求、用途 /span /strong /p /td td style=" border:solid windowtext 1px background:#FBFDFE padding:0 0 0 0" p style=" margin-top:auto margin-bottom: auto text-align:left" strong span style=" font-size:16px font-family:宋体" 备注 /span /strong /p /td /tr tr td style=" border:solid windowtext 1px background:#FBFDFE padding:0 0 0 0" p style=" margin-top:auto margin-bottom: auto text-align:left" span style=" font-size:16px font-family:宋体" 1 /span /p /td td style=" border:solid windowtext 1px background:#FBFDFE padding:0 0 0 0" p style=" margin-top:auto margin-bottom: auto text-align:left" span style=" font-size: 16px font-family:宋体" 冷冻电镜系统 /span /p /td td style=" border:solid windowtext 1px background:#FBFDFE padding:0 0 0 0" p style=" margin-top:auto margin-bottom: auto text-align:left" span style=" font-size:16px font-family:宋体" 1 /span /p /td td style=" border:solid windowtext 1px background:#FBFDFE padding:0 0 0 0" p style=" margin-top:auto margin-bottom: auto text-align:left" span style=" font-size: 16px font-family:宋体" 批 /span /p /td td style=" border:solid windowtext 1px background:#FBFDFE padding:0 0 0 0" p style=" margin-top:auto margin-bottom: auto text-align:left" span style=" font-size:16px font-family:宋体" 2428 /span span style=" font-size:16px font-family:宋体" 万美元 /span /p /td td style=" border:solid windowtext 1px background:#FBFDFE padding:0 0 0 0" p style=" margin-top:auto margin-bottom: auto text-align:left" span style=" font-size: 16px font-family:宋体" 包括冷冻电镜集群（包括 span 300kV /span 冷冻透射电镜、 span 200kV /span 冷冻透射电镜、冷冻双束显微镜等）和配套机房（包括电镜存储机房、数据解析室、电镜高算机房），详见招标文件。 /span /p /td td style=" border: 1px solid windowtext background: rgb(251, 253, 254) none repeat scroll 0% 0% padding: 0px word-break: break-all " br/ /td /tr /tbody /table p 　　 strong 投标截止时间 /strong ：2018年12月27日14时00分 /p p 　　 strong 投标地址 /strong ：杭州市凤起路334号同方财富大厦13楼1307开标厅 /p p 　　 strong 开标时间 /strong ：2018年12月27日14时00分 /p p 　　 strong 开标地址 /strong ：杭州市凤起路334号同方财富大厦13楼1307开标厅 /p p 　　 strong 采购人名称 /strong ：西湖大学 /p p 　　 strong 地址 /strong ：杭州市西湖区云栖小镇石龙山街18号 /p p 　　 strong 联系人 /strong ：柳老师 /p p 　　 strong 联系电话 /strong ：0571-86886869 /p p 　　 strong 采购代理机构名称 /strong ：浙江省国际技术设备招标有限公司 /p p 　　 strong 地址 /strong ：杭州市凤起路334号同方财富大厦14层 /p p 　 strong 　联系人 /strong ：赵炎君 /p p 　　 strong 联系电话 /strong ：0571-85860233 /p p 　　 strong 传真 /strong ：0571-85860230 /p