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    冷凍電鏡的基本原理與應(yīng)用
    來(lái)源:本站 時(shí)間:2020-08-24 16:36:41 瀏覽:17426次

    作者:Green dinosaur

    1 引言

    先進(jìn)電子顯微技術(shù)為從微觀基礎(chǔ)上解析宏觀物質(zhì)的性質(zhì)提供了有力的技術(shù)支持,但受限于電子顯微鏡的工作原理,以及含大量水分的生物樣品的特殊性,它在生物科學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用受到了嚴(yán)重限制。冷凍電子顯微技術(shù)(Cryo-electron microscopy, Cryo-EM)的現(xiàn)世為這一局限填補(bǔ)了空白,采用樣品冷凍——低劑量電子斷層掃描——三維重構(gòu)的方案,科學(xué)家們順利得到了大分子生物樣品的電子顯微相。而隨著硬件儀器和解析軟件的發(fā)展,冷凍電鏡的圖像分辨率大大提升,應(yīng)用范圍也得到了進(jìn)一步擴(kuò)展,不僅限于生物材料結(jié)構(gòu)研究,還可用來(lái)廣泛研究對(duì)電子束、熱敏感的特殊材料。冷凍電鏡也將于未來(lái)在材料科學(xué)研究領(lǐng)域里開辟出一片嶄新的天地。

    2 前世今生——冷凍電子顯微技術(shù)的歷史

    2017年10月4日,諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被授予冷凍電鏡領(lǐng)域的3位科學(xué)家,以褒獎(jiǎng)他們?cè)凇伴_發(fā)冷凍電鏡用以高分辨率測(cè)定溶液中生物分子的結(jié)構(gòu)”方面的貢獻(xiàn)。這條消息甫一公布,就引起了人們的調(diào)侃,稱:“冷凍電鏡是授予物理學(xué)家的化學(xué)獎(jiǎng)以獎(jiǎng)勵(lì)他們對(duì)生物領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)?!边@一獎(jiǎng)項(xiàng)的頒布將冷凍電子顯微帶入了大眾的視野,更體現(xiàn)了生物與物理、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的多學(xué)科融合帶來(lái)的技術(shù)突破。

    回顧冷凍電子顯微鏡的誕生歷程,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)多學(xué)科技術(shù)融會(huì)貫通所帶來(lái)的神奇靈感碰撞。


    圖1 2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者

    2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者

    1924年,“物質(zhì)波”假說(shuō)的提出奠定了電子顯微技術(shù)的基礎(chǔ),經(jīng)過(guò)長(zhǎng)足的發(fā)展與應(yīng)用,以掃描電子顯微鏡(SEM)與透射電子顯微鏡(TEM)為主的電子顯微儀器在對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)解析與微觀成分表征都發(fā)揮了強(qiáng)大的實(shí)力,但卻在生物材料領(lǐng)域碰了壁,這是由于:
    (1)高能入射電子束會(huì)對(duì)生物樣品造成輻射損害,嚴(yán)重破壞樣品的結(jié)構(gòu);
    (2)生物樣品中通常含有豐富的水分,在高真空環(huán)境下水分脫出會(huì)嚴(yán)重破壞電子束傳播,同時(shí)造成樣品結(jié)構(gòu)的崩塌;
    (3)生物樣品主要由C、O、N、H等輕質(zhì)元素組成,成像襯度很低,產(chǎn)出圖像的質(zhì)量受到了限制。


    20世紀(jì)50年代,人們采用負(fù)染色技術(shù)來(lái)固定生物結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行電鏡觀察。這種實(shí)驗(yàn)方法操作簡(jiǎn)單,圖像襯度高,但獲得的電鏡照片分辨率只能達(dá)到十幾埃左右。


    1974年,Kenneth A.Taylor和Robert M.Glaeser在-120℃觀察生物樣品時(shí)成功獲取了冷凍水合過(guò)氧化氫酶的高分辨圖像信息[2]。這個(gè)工作中發(fā)現(xiàn)了冷凍樣品有助于減低樣品的輻照損傷,標(biāo)志著冷凍電鏡應(yīng)用于生物物理學(xué)領(lǐng)域的開始。


    1980年,Jacques Dubochet在薄膜純水玻璃化的制備技術(shù)上取得了突破性的進(jìn)展[3]。他采用的液態(tài)乙烷浴冷凍法具有快速高效的優(yōu)點(diǎn),一直沿用至今。

    由于透射電鏡只能獲得二維投影圖像,需要建立算法邏輯,搭建起二維圖像與三維結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系。


    1968年,Aaron Kulg提出了從二維圖像重構(gòu)三維物體的基本數(shù)學(xué)原理,也稱中心界面定理,奠定了三維重構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)[4]。


    1987年,Max Radermacher和Joachim Frank等人提出了斷層掃描成像法和單顆粒分析法[5]。單顆粒分析技術(shù)能夠嚴(yán)格控制對(duì)樣品的輻照損傷,是今天冷凍電鏡領(lǐng)域廣泛使用的大分子結(jié)構(gòu)解析方法的基礎(chǔ)。

    2008年,加州大學(xué)洛杉磯分校的周正洪教授通過(guò)一萬(wàn)兩千多張單顆粒圖像,成功獲得了3.9?分辨率的CPV病毒三維結(jié)構(gòu)[6]。這是第一次通過(guò)單顆粒冷凍電鏡重構(gòu)技術(shù)得到近原子分辨率的結(jié)構(gòu)。



    2013年以來(lái),由于電子直接探測(cè)器(Direct electron-detector device,DDD)的發(fā)展,冷凍電鏡取得了革命性的進(jìn)步。加州大學(xué)舊金山分校程亦凡教授研究組成功利用新一代DDD相機(jī)解析得到了瞬時(shí)受體電位通道蛋白(TRPV1)的3.4?分辨率結(jié)構(gòu)[1]。這項(xiàng)研究打破了不結(jié)晶膜蛋白側(cè)鏈的分辨率屏障,展示了單顆粒冷凍電鏡在膜蛋白分析上的巨大潛力。


    3 廬山真面——冷凍電子顯微鏡的原理與結(jié)構(gòu)

    冷凍電子顯微技術(shù)的發(fā)展與完善經(jīng)歷了復(fù)雜而艱辛的探索,下面,我們將深入解析冷凍電子顯微鏡的工作原理、流程與儀器結(jié)構(gòu),揭開它的廬山真面目。

    3.1工作原理

    3.1.1 樣品制備:樣品快速冷凍技術(shù)

    樣品的原位冷凍固定處理是低溫電子顯微鏡標(biāo)本制備的第一步,其過(guò)程如下圖所示[7]


    圖2 原位冷凍固定示意圖


    原位冷凍固定示意圖[7]

    冷凍電鏡采用的快速冷凍技術(shù)關(guān)鍵在于“快速”。這是由于:采用常規(guī)冷凍手段,水分子會(huì)在氫鍵作用下形成冰晶,一來(lái)會(huì)改變樣品結(jié)構(gòu),二來(lái)在成像過(guò)程中,冰晶體會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電子衍射掩蓋樣品信號(hào)。而當(dāng)冷凍速率足夠快時(shí),水分子在形成晶體之前就會(huì)凝固成無(wú)定形的玻璃態(tài)冰,具有非晶態(tài)特性,保證了在電子束探測(cè)成像的過(guò)程中不會(huì)對(duì)樣品成像造成干擾。
    冷凍固定時(shí),樣品首先放置在由液氮冷卻的容器中,隨后被快速浸入液態(tài)乙烷中。采用液態(tài)乙烷作為冷凍劑的目的是為了使冷凍速率足夠快,在冷凍過(guò)程中,樣品將以每秒104至106 K的速度被快速冷卻。生物樣品中的水被玻璃化冷凍后,樣品結(jié)構(gòu)就得到了保持和固定,同時(shí)玻璃化冰也不會(huì)在真空環(huán)境中揮發(fā),在一定程度上保護(hù)了樣品免受電子輻射的損傷。
    3.1.2 樣品成像:低劑量輻照成像
    普通的樣品材料在進(jìn)行TEM表征時(shí),電子劑量越高,成像質(zhì)量越好。但生物樣品受到的輻照損傷卻是和累積的輻照總劑量相關(guān)的。更詳細(xì)一點(diǎn)說(shuō),隨著輻照劑量的增加,輻照損傷對(duì)高分辨細(xì)節(jié)的破壞更嚴(yán)重。因此,為了盡可能地獲得更多的細(xì)節(jié),就必須要對(duì)樣品采用用低劑量輻照成像。
    在冷凍電鏡技術(shù)中,常用的低劑量輻照成像法有兩種:冷凍電子斷層掃描法,單顆粒分析成像法。

    (1)電子斷層掃描技術(shù)(cryogenic computed tomography)

    圖3 電子斷層掃描技術(shù)示意圖


    電子斷層掃描技術(shù)示意圖[8]

    (2)單顆粒分析法(Single particle analysis, SPA)
    單顆粒技術(shù)獲得投影的具體方法如圖4:制備很多具有同樣結(jié)構(gòu)的大分子樣品,將其進(jìn)行分散冷凍后進(jìn)行隨機(jī)的投影拍照,再通過(guò)計(jì)算模擬測(cè)定角度,對(duì)具有相同角度的粒子進(jìn)行組合,突出其中更特殊、更容易解釋的特征。

    單顆粒冷凍電鏡是針對(duì)單個(gè)粒子進(jìn)行重構(gòu)的技術(shù),但我們的研究對(duì)象往往是多構(gòu)象或結(jié)構(gòu)異質(zhì)的蛋白,顆粒之間存在細(xì)微差別,這是一些蛋白質(zhì)無(wú)法獲得高分辨結(jié)構(gòu)的重要原因之一。對(duì)于結(jié)構(gòu)異質(zhì)性樣品的分析,我們需要首先將樣品分成幾個(gè)同質(zhì)的子集,然后分別進(jìn)行三維重建。
    由于單顆粒分析法理論成像分辨率更高,尤其在分析具有同質(zhì)性結(jié)構(gòu)的樣品時(shí)表現(xiàn)出更方便、更優(yōu)異的成像能力,因此得到了更廣泛的應(yīng)用。單顆粒分析法的研究對(duì)象可以是具有某種對(duì)稱性的顆粒,也可是不具有任何對(duì)稱性的蛋白分子或復(fù)合體,尤其是針對(duì)核糖體的表征。

    圖4 單顆粒分析圖像重建


    單顆粒分析圖像重建[9]

    (3)電子斷層掃描技術(shù)與單顆粒分析法的比較:
    單顆粒分析法:
    優(yōu)點(diǎn):解析生物大分子的理論分辨率可達(dá)原子級(jí);樣品受總輻射值小;對(duì)稱顆粒的解析分辨率更高;分子量越大,結(jié)果越好;
    缺點(diǎn):對(duì)樣品的重復(fù)性有非常苛刻的要求,只能用于對(duì)經(jīng)過(guò)提純的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的生物大分子的三維重構(gòu)。
    電子斷層掃描技術(shù):
    優(yōu)點(diǎn):簡(jiǎn)單直接;對(duì)樣品的要求較低;常用于對(duì)細(xì)胞或者生物組織結(jié)構(gòu)的三維重構(gòu);
    缺點(diǎn):對(duì)同一樣品位置多次拍照時(shí),電子束對(duì)樣品的輻照損傷就成為了比較嚴(yán)重的問(wèn)題;樣品旋轉(zhuǎn)角度受到電子束透過(guò)樣品厚度能力的限制。

    3.1.3 三維重建
    透射電子顯微鏡所成圖像是物體的投影像,類似于X射線光片。通過(guò)使用投影切片定理(圖5),可以組合從一個(gè)視角范圍拍攝的物體的許多圖像(2D投影)來(lái)生成物體的三維重建。
    在理想的單顆粒成像條件下,玻璃冰中的蛋白質(zhì)隨機(jī)分布,如果使用了大量的粒子圖像,則可以實(shí)現(xiàn)各向同性的重建。這與電子斷層掃描相反,電子斷層掃描由于樣品的幾何形狀而限制了視角,從而實(shí)現(xiàn)了各向異性的重建。

    圖5 三維結(jié)構(gòu)的傅里葉反演重建原理


    三維結(jié)構(gòu)的傅里葉反演重建原理[11]
    3.2 工作流程
    單顆粒冷凍電鏡的工作流程如下:
    第1步:樣品制備。高純度、高濃度的蛋白樣品溶液被滴在一個(gè)特制的樣品載網(wǎng)上。載網(wǎng)由一張布滿小孔的超薄非晶碳薄膜和金屬支撐框架組成,在表面張力的作用下,微孔上會(huì)形成一層跨孔的薄水膜。將多余溶液吸走后,把載有蛋白溶液超薄膜的載網(wǎng)迅速投入到液態(tài)乙烷冷凍劑中使其快速冷凍,從而使蛋白質(zhì)分散固定在玻璃態(tài)的冰膜中。
    第2步:電鏡圖像采集。選擇最有可能產(chǎn)生最佳圖像的最佳顆粒密度和玻璃態(tài)冰厚度的樣品,設(shè)定最佳的參數(shù)(比如:欠焦值、放大倍數(shù)和電子劑量等),記錄這些樣品區(qū)域的大量圖像,用手工或半自動(dòng)程序框取那些離散的分子形成的投影圖。
    第3步:三維結(jié)構(gòu)搭建。由于電子可能對(duì)非常敏感的樣品造成輻射損傷,所以單顆粒冷凍電鏡只能采用非常低的電子量,而這種電鏡2D投影圖像有非常大的背景噪聲。為提高圖像分辨率,研究人員首先需要提出一個(gè)初始的3D模型,然后對(duì)捕獲的單顆粒2D圖像進(jìn)行分選。


    3.3 儀器結(jié)構(gòu)
    冷凍電子顯微鏡的儀器結(jié)構(gòu)與透射電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)相似,只是在進(jìn)樣之前搭載了液態(tài)乙烷罐與冷凍倉(cāng),保證在樣品快速冷凍后能夠即刻轉(zhuǎn)移至樣品倉(cāng)內(nèi)。

    圖7 冷凍電鏡的儀器結(jié)構(gòu)

     冷凍電鏡的儀器結(jié)構(gòu)

    (1)冷凍室:在實(shí)際操作中,向液態(tài)乙烷中投入樣品時(shí),乙烷會(huì)在樣品周圍快速沸騰,形成絕緣氣態(tài)膜,減慢向低溫液體的熱傳遞,稱為萊頓弗羅斯特效應(yīng)。因此要使厚度超過(guò)幾微米的樣品中的水以足夠高的冷卻速度產(chǎn)生非晶冰非常困難。冷凍室中加入旋轉(zhuǎn)葉片真空泵將冷凍劑泵入,可以提高冷卻速度。
    (2)電子槍:產(chǎn)生電子束的部分,聚光鏡系統(tǒng)負(fù)責(zé)將電子束聚焦到樣本樣品上。
    (3)圖像生成系統(tǒng):由物鏡,中間和投影儀鏡頭以及可移動(dòng)平臺(tái)組成。
    (4)圖像記錄系統(tǒng):收集來(lái)自樣品的電子信號(hào),在熒光屏上形成圖像。
    3.4 優(yōu)勢(shì)與不足
    冷凍電鏡已經(jīng)能解析出生物大分子的原子級(jí)分辨率(0.2-0.3 nm)結(jié)構(gòu),但是這一結(jié)果離物理極限還有較大距離。并且基于生物大分子樣品的成像特殊性,目前依然存在如下不足。
    (1)樣品制備的困難。樣品制備的關(guān)鍵要求是顆粒朝向必須是隨機(jī)分布的,但樣品制備過(guò)程操作會(huì)對(duì)顆粒的隨機(jī)分布造成影響。
    (2)要求樣品結(jié)構(gòu)均一性。多個(gè)顆粒的圖像數(shù)據(jù)必須進(jìn)行合并和平均以形成3D重構(gòu)圖,若要實(shí)現(xiàn)高分辨率,就必須保持樣品結(jié)構(gòu)的均一。
    (3)蛋白顆粒構(gòu)象多樣。理論上說(shuō),單顆粒冷凍電鏡的一大優(yōu)勢(shì)就在于能區(qū)別不同的功能構(gòu)象,但是有時(shí)候不同的構(gòu)象相似度太高,導(dǎo)致區(qū)別起來(lái)非常棘手。
    (4)成像理論需要進(jìn)一步研究。冷凍電鏡現(xiàn)有的成像理論是一種數(shù)學(xué)上的近似法。如果要進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)解析的分辨率,就需要用到更為復(fù)雜的電鏡成像理論來(lái)提取圖像。近年來(lái),在單顆粒分析中取得重大突破的是最大似然估計(jì)理論,它在圖像匹配、2D和3D分類與模型優(yōu)化上均有應(yīng)用,是一個(gè)強(qiáng)有力的理論工具。但過(guò)多的計(jì)算資源消耗阻礙了這個(gè)方法在冷凍電鏡單顆粒重構(gòu)中的廣泛應(yīng)用,如何在加快計(jì)算速度的同時(shí),提高模型重構(gòu)的準(zhǔn)確性是最大似然估計(jì)算法的一個(gè)重要問(wèn)題。


    4 大顯神通——冷凍電子顯微技術(shù)的應(yīng)用

    4.1 結(jié)構(gòu)生物學(xué)

    從歷史維度上看,冷凍電鏡技術(shù)在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的功勛建樹無(wú)需贅述。2020年年初,新型冠狀(2019-nCoV)病毒疫情席卷全球,冷凍電鏡技術(shù)在解析病毒結(jié)構(gòu)、推測(cè)其侵染人體細(xì)胞的路徑等傳播原理發(fā)揮了重要作用,為人類攻堅(jiān)疫情防護(hù)、研發(fā)疫苗提供了重要的理論依據(jù)。


    圖8 2019-nCoV病毒與SARS病毒的結(jié)構(gòu)比較


    2019-nCoV病毒與SARS病毒的結(jié)構(gòu)比較[10]

    病毒要進(jìn)入人體細(xì)胞,就必須與人體細(xì)胞上相應(yīng)的受體蛋白結(jié)合。新冠肺炎疫情暴發(fā)以來(lái),新冠病毒表面與宿主細(xì)胞作用的關(guān)鍵刺突蛋白(S蛋白,Spike glycoprotein)備受各研究團(tuán)隊(duì)的重視。得克薩斯大學(xué)的McLellan研究組采用冷凍電鏡技術(shù),獲得純化S蛋白的3207張照片,結(jié)合已經(jīng)公開的新冠病毒序列,獲得了經(jīng)過(guò)3D重建的分辨率為3.5 ?的S蛋白三聚體結(jié)構(gòu)[10]。

    研究團(tuán)隊(duì)將新冠病毒的結(jié)構(gòu)與其他幾種冠狀病毒進(jìn)行了比較。如圖8,發(fā)現(xiàn)2019-nCoV的S蛋白整體結(jié)構(gòu)與SARS病毒S蛋白的整體結(jié)構(gòu)相似,各個(gè)結(jié)構(gòu)之間具有高度同源性。它們之間最大的差異是RBD在其各自的“向下”結(jié)構(gòu)中的位置差異。


    結(jié)合冷凍電鏡獲取的病毒結(jié)構(gòu)與表面等離子共振技術(shù)(SPR)的分析結(jié)果,研究團(tuán)隊(duì)表明,新冠病毒的S蛋白結(jié)合人體ACE2(宿主細(xì)胞受體血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2)的親和力要遠(yuǎn)高于嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒(SARS-CoV)的S蛋白,這解釋了為什么新冠病毒傳染性要比SARS病毒強(qiáng)得多。


    4.2 材料科學(xué)

    Stanford的崔屹教授2017年10月在Science發(fā)表了一篇使用低溫電鏡觀察電池中鋰負(fù)極材料和界面精細(xì)研究的文章,這是冷凍電鏡在材料學(xué)研究中應(yīng)用的一個(gè)開端[11]。


    鋰枝晶是鋰電池中最大的安全隱患,但鋰元素非?;顫姟?duì)環(huán)境敏感的特質(zhì)使得從原子層面解析鋰枝晶的生長(zhǎng)機(jī)理成為一個(gè)極具挑戰(zhàn)的課題。傳統(tǒng)的TEM電子束能量很高,會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞枝晶結(jié)構(gòu),受到冷凍電鏡觀察敏感生物材料的啟發(fā),崔屹教授等人使用冷凍電鏡技術(shù)首次獲得了鋰枝晶原子分辨率級(jí)別的結(jié)構(gòu)圖像。

    圖9 鋰金屬直徑的原子分辨率級(jí)別TEM圖像


    鋰金屬直徑的原子分辨率級(jí)別TEM圖像[11]

    與傳統(tǒng)電鏡觀察到的不規(guī)則形狀不同,高分辨的冷凍電鏡照片中顯示的鋰枝晶是呈長(zhǎng)條狀的完美六面晶體,其生長(zhǎng)行為顯示其有明顯的<111>優(yōu)先取向,也就是說(shuō),鋰枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中可能發(fā)生“拐彎”,但是并不會(huì)形成晶體缺陷。

    崔屹教授的研究結(jié)果成功還原了鋰金屬在溫和環(huán)境下的結(jié)構(gòu)圖像,更貼近現(xiàn)實(shí),而且證明冷凍電鏡測(cè)試技術(shù)可以有效地對(duì)脆弱、不穩(wěn)定的電池材料進(jìn)行高分辨率表征,例如鋰硅、鋰硫等,并且保持它們?cè)谡鎸?shí)電池中的原始狀態(tài)。


    5 來(lái)日可期——總結(jié)與展望
    長(zhǎng)久以來(lái),冷凍電鏡在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域取得了巨大成功,目前,多構(gòu)象蛋白的三維分類問(wèn)題和生物大分子的動(dòng)力學(xué)分析依然是充滿挑戰(zhàn)的研究方向,新型的算法發(fā)展也將主要圍繞這些問(wèn)題展開。而作為一種低信號(hào)源激發(fā)測(cè)試技術(shù),冷凍電鏡技術(shù)在一些對(duì)電子束、熱敏感材料,如鈣鈦礦材料、某些高分子材料、水凝膠、量子點(diǎn)等精細(xì)結(jié)構(gòu)的物理表征與機(jī)理研究中也具有巨大的應(yīng)用潛力。他山之石,可以攻玉。隨著硬件設(shè)備與模擬算法的改進(jìn),這項(xiàng)引領(lǐng)結(jié)構(gòu)生物化學(xué)研究邁入新紀(jì)元的技術(shù),未來(lái)必定擁有更加廣闊的應(yīng)用前景。

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    [12] Bai X C , Yan C , Yang G , et al. An atomic structure of human γ-secretase[J]. Nature, 2015.

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    文字是人類用符號(hào)記錄表達(dá)信息以傳之久遠(yuǎn)的方式和工具?,F(xiàn)代文字大多是記錄語(yǔ)言的工具。人類往往先有口頭的語(yǔ)言后產(chǎn)生書面文字,很多小語(yǔ)種,有語(yǔ)言但沒有文字。文字的不同體現(xiàn)了國(guó)家和民族的書面表達(dá)的方式和思維不同。文字使人類進(jìn)入有歷史記錄的文明社會(huì)。
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