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新液氮冷却技术,可提高低温电子显微镜的清晰度与安全性

前瞻网    2021-09-23 09:35

 

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低温电子显微镜(cryo-EM),也被称作冷冻电子显微镜,它是最强大的成像工具之一,几乎可以观察到蛋白质、病原体和各种细胞成分的单个原子。例如在观察冠状病毒用来渗入人体细胞的穗状蛋白结构时,就会用到低温电子显微镜。但是为低温电子显微镜准备样品是一个繁琐的过程,它依赖于乙烷(一种强大的液态冷却剂),在室温下是一种易燃气体,容易发生爆炸,所以存在一定的安全隐患。

最近一项新的研究表明,可以用一种更安全、更便宜的冷却剂,即液氮,来制备低温电镜的样品,这些样品可以产生更清晰的图像。

低温电镜的工作原理是通过发射电子,将分子瞬间冻结在玻璃状的水面上,捕捉到冰内分子的多个模糊图像。复杂的软件通常可以将这些模糊的片段化为一个清晰的三维图像,但并不一致,有些模糊来自于样品本身。当包裹分子的水被冷却得太慢时,它形成的冰晶会降低图像的质量。科学家们通过使用乙烷快速冷却水来规避这个问题,使得它被压缩成玻璃状的无晶体片。但是这样的快速冷冻会给薄片带来压力,当电子束击中薄片时,压力导致分子移动,一种被称为光束诱导运动的现象会模糊了最终图像。

在整个过程中出现矛盾的因素。一方面希望快速冷却样品,以防止冰晶形成,并捕捉分子的生物结构。但是也希望冷却速度稍慢,以尽量减少成像过程中的运动。

根据过去40年的报告,液氮的冷却速度比乙烷的冷却速度大约慢50倍,但这还不足以将水转化为玻璃片。研究小组最终为X射线晶体学(另一种用于对蛋白质分子进行成像的方法)开发了一种自动冷却仪器,在样品被投入氮气之前就将冷气去除,发现冷却速度增加到仅比乙烷慢六倍。研究人员随后调整了冷却仪器,用于低温电镜样品,并收集和分析低温电镜数据。

新的研究结果发现,氮气的冷却速度是低温电镜样品制备的完美速度,快到足以避免明显的冰晶形成,慢到可以减少光束引起的运动。研究人员表示,全液氮冷却将简化低温电子显微镜的工作流程,消除乙烷所需要的额外步骤,更容易设计符合当前实验室安全标准的自动冷却仪器。

题为“High-resolution single-particle cryo-EM of samples vitrified in boiling nitro­gen”的相关研究论文发表在《国际晶体学联合会杂志》上。

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责任编辑: 3976DBC

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