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冷凍電鏡應(yīng)用廣闊 助力生物研究取得突破

[2018/8/6]

  冷凍電鏡技術(shù)用于掃描電鏡的超低溫冷凍制樣及傳輸，可直接觀察液體、半液體以及對(duì)電子束敏感的樣品。樣品經(jīng)過(guò)超低溫冷凍、斷裂、鍍膜制樣等處理，通過(guò)冷凍傳輸系統(tǒng)放入電鏡內(nèi)的冷臺(tái)進(jìn)行觀察，不會(huì)影響到樣品本身結(jié)構(gòu)。
 
  2017年10月，三位科學(xué)家因冷凍電鏡技術(shù)獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，此后，這一技術(shù)獲得了更多研究人員關(guān)注。目前，冷凍電鏡技術(shù)已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究中的一個(gè)利器，改變了生物領(lǐng)域的研究方式，眾多研究項(xiàng)目取得了重大突破。
 
  美國(guó)科學(xué)家確立端粒酶結(jié)構(gòu)
 
  端粒酶與癌癥和老化關(guān)系密切，如果能合理運(yùn)用提取生物端粒酶技術(shù)，將有助于揭開(kāi)人類衰老和罹患癌癥等嚴(yán)重疾病的奧秘。據(jù)英國(guó)《自然》雜志發(fā)表的一篇論文，美國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)使用冷凍電鏡技術(shù)，以迄今最高的分辨率確定了端粒酶的結(jié)構(gòu)。
 
  以往運(yùn)用電子顯微鏡觀察生物樣品，容易對(duì)樣品造成電子束輻照損傷，很難獲得生物樣品的高分辨率信息。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研究人員凱瑟林·科林斯及其同事利用冷凍電鏡技術(shù)，確定了人體端粒酶的結(jié)構(gòu)，代表著人類向開(kāi)發(fā)端粒酶相關(guān)療法邁出了重要一步。學(xué)界普遍認(rèn)為，端粒酶結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的缺乏，妨礙了臨床調(diào)控端粒酶的進(jìn)展，但現(xiàn)在，研究人員終于在亞納米尺度上得到了該分子與其底物相結(jié)合的圖像，這將加快提取生物端粒酶技術(shù)的研究進(jìn)展。
 
  中國(guó)科研人員重構(gòu)復(fù)雜皰疹病毒
 
  皰疹病毒直徑約為150-200納米，保護(hù)病毒基因的核衣殼包含約4000個(gè)蛋白組分，尺寸巨大、成分復(fù)雜，且容易在純化過(guò)程中造成顆粒局部微小形變。冷凍電鏡技術(shù)雖可以高分辨率測(cè)定生物分子結(jié)構(gòu)，但對(duì)于尺寸超過(guò)120納米的生物樣品，容易造成顆粒局部欠焦量差異問(wèn)題。
 
  中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所研究員王祥喜團(tuán)隊(duì)，對(duì)導(dǎo)致欠焦量差異的物理效應(yīng)進(jìn)行矯正，并將單個(gè)“單純皰疹病毒-2”顆粒分成了240個(gè)亞單位，進(jìn)行分類和單顆粒重構(gòu)，從而將冷凍電鏡技術(shù)的分辨率提高到3.1埃(1埃等于十分之一納米)。該團(tuán)隊(duì)在原子層面上重構(gòu)了一種結(jié)構(gòu)和功能極其復(fù)雜的皰疹病毒核衣殼，為后續(xù)研究病毒核衣殼在神經(jīng)細(xì)胞中的運(yùn)輸提供了“精細(xì)化”結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

  中美學(xué)者成功解析神經(jīng)突觸

 
  中科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心與生命科學(xué)學(xué)院畢國(guó)強(qiáng)、劉北明和美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校周正洪教授合作課題組，在國(guó)際上首次利用冷凍電鏡技術(shù)對(duì)完整神經(jīng)突觸進(jìn)行系統(tǒng)性定量分析，既推動(dòng)了對(duì)突觸超微結(jié)構(gòu)與功能的解密，又為復(fù)雜細(xì)胞體系中原位解析生物大分子復(fù)合物的組織結(jié)構(gòu)技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。
 
  據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)利用冷凍電子斷層三維重構(gòu)技術(shù)，結(jié)合自主研發(fā)的冷凍光電關(guān)聯(lián)顯微成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)中兩類最主要突觸——興奮性/抑制性突觸的精確區(qū)分及結(jié)構(gòu)特征的定量化分析，獲得一系列完整突觸在近生理狀態(tài)下的三維結(jié)構(gòu)。結(jié)合定量分析手段，首次報(bào)道了抑制性突觸的均勻薄片狀突觸后致密區(qū)結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)兩類突觸中均存在橢球狀突觸囊泡，結(jié)束了關(guān)于兩類突觸在突觸囊泡和突觸后致密區(qū)形態(tài)精細(xì)結(jié)構(gòu)上由來(lái)已久的爭(zhēng)論。
 
  作為結(jié)構(gòu)生物學(xué)中的一個(gè)重要研究手段，冷凍電鏡技術(shù)大大改變了生物研究的方式。如今，各國(guó)研究人員紛紛運(yùn)用這一技術(shù)開(kāi)展科研工作，有效提升了科研效率，為生物領(lǐng)域眾多成果的涌出奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。