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三維重構(gòu)冷凍電子顯微鏡：從數(shù)據(jù)采集到結(jié)構(gòu)解析的技術(shù)優(yōu)化
在微觀世界的探索征程中，三維重構(gòu)冷凍電子顯微鏡宛如一把神奇的密鑰，為科學(xué)家們打開了一扇通往未知領(lǐng)域的大門，讓我們得以一窺生物大分子的精細結(jié)構(gòu)和奧秘。
三維重構(gòu)冷凍電子顯微鏡技術(shù)結(jié)合了冷凍電鏡和三維重構(gòu)兩種關(guān)鍵技術(shù)。冷凍電鏡技術(shù)起源于上個世紀80年代，經(jīng)過多年發(fā)展趨于成熟。它通過特殊的樣品制備方法，使生物樣品能在含水狀態(tài)下于電鏡內(nèi)觀察，所得結(jié)果更接近生活狀態(tài)。而三維重構(gòu)技術(shù)則解決了從生物分子的二維電鏡圖像推知其三維結(jié)構(gòu)的難題，其發(fā)展得益于電鏡設(shè)備本身的進步以及計算機圖像處理技術(shù)的提升。
這項技術(shù)具有諸多顯著優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的測定蛋白質(zhì)分子三維結(jié)構(gòu)的方法，如X射線晶體學(xué)和核磁共振波譜學(xué)（NMR）相比，它能保持生物樣品的活性和功能狀態(tài)，無需制備晶體，特別適合難于結(jié)晶的大分子及其復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)判定。結(jié)合新型的電子顯微鏡、制樣機器人等設(shè)備和技術(shù)，還可以實現(xiàn)顯微制樣、數(shù)據(jù)收集、三維重構(gòu)全過程的自動化或半自動化，為高通量、快速解析大分子及其復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)打下基礎(chǔ)。
在實際應(yīng)用中，三維重構(gòu)冷凍電子顯微鏡在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域取得了重要突破。利用單顆粒分析方法，科學(xué)家們已經(jīng)解析出了很多生物大分子、病毒以及復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，目前的最新研究成果已經(jīng)可以在準原子或原子分辨率下解析具有高度對稱性的病毒分子結(jié)構(gòu)。電子斷層成像技術(shù)則適合于在納米級尺度上研究不具有結(jié)構(gòu)均一性的蛋白、病毒、細胞器以及它們之間組成的復(fù)合體的三維結(jié)構(gòu)，在研究非定形、不對稱和不具全同性的生物樣品的三維結(jié)構(gòu)和功能中有著不可替代的重要作用。
以阿爾茨海默病的研究為例，該病的淀粉狀蛋白纖維聚合物不能形成結(jié)晶，無法用X射線晶體學(xué)測定其結(jié)構(gòu)，又因其低溶解性和纖維狀結(jié)構(gòu)，也不能用NMR測定。而這種纖維聚合物恰恰是冷凍電子顯微鏡研究的理想對象，通過三維重構(gòu)冷凍電子顯微鏡技術(shù)，有望深入了解其結(jié)構(gòu)，為攻克阿爾茨海默病提供關(guān)鍵線索。
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，三維重構(gòu)冷凍電子顯微鏡將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究帶來更多的驚喜和突破，助力人類在微觀世界的探索中不斷前行。