什么是冷冻电镜技术?

1. 什么是冷冻电镜技术?

冷冻电镜技术，全称是冷冻电子显微镜技术，是在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术
这项技术获得了2017年的诺贝尔化学奖，获奖者有三位，分别是瑞士科学家Jacques Dubochet，美国科学家Joachim Frank，英国科学家Richard Henderson。冷冻电镜技术，是一种重要的结构生物学研究方法，它与X射线晶体学、核磁共振一起构成了高分辨率结构生物学研究的基础。
冷冻电镜技术的研究，早在1968年剑桥MRC分子生物学实验室已经诞生，上世纪70年代和80年代中叶，主要是冷冻成像和蛋白快速冷冻技术。根据诺贝尔奖评委会的说法，冷冻电镜技术使生物分子成像，变得更加简单，把生物化学带入了一个新纪元。这项技术可以用来确定，溶液中生物分子的高清晰度结构。
冷冻电镜技术其实比较抽象，一直以来它主要的问题是其图像噪音极高、信号极低，研究的目标是从中提取近原子分辨率的结构信息。可以形象的比喻为在一个机器轰鸣的工厂，监测一只蚂蚁爬行的声音。冷冻电镜的目标，就是要完成这项艰巨的任务。因此，可见这项技术成果的科学价值。

2. 什么是冷冻电镜技术？

冷冻电镜技术开创者曾摘得２０１７年诺贝尔化学奖，这种技术结合电子显微镜、超低温冷冻和计算机图像处理手段，可以抓拍生物分子的高清“工作照”。
研究人员将样本在零下１８０摄氏度下冷冻，拍摄了约１００万张独立的快照，组合起来后，清晰地看到ＲＮＡ聚合酶ＩＩＩ与ＤＮＡ结合，拆开ＤＮＡ双链，准备进行代码转录的情景。
这些图像首次揭示了ＲＮＡ聚合酶ＩＩＩ这台分子机器的各个部件怎样相互作用和通信，使人们可以详细了解转录初始阶段的关键步骤，寻找操纵该过程的办法，开发全新的抗癌药物。

3. 什么是冷冻电镜技术?

冷冻电镜技术开创者曾摘得2017年诺贝尔化学奖，这种技术结合电子显微镜、超低温冷冻和计算机图像处理手段，可以抓拍生物分子的高清“工作照”。
研究人员将样本在零下180摄氏度下冷冻，拍摄了约100万张独立的快照，组合起来后，清晰地看到RNA聚合酶III与DNA结合，拆开DNA双链，准备进行代码转录的情景。

这些图像首次揭示了RNA聚合酶III这台分子机器的各个部件怎样相互作用和通信，使人们可以详细了解转录初始阶段的关键步骤，寻找操纵该过程的办法，开发全新的抗癌药物。

4. 中国在冷冻电镜上大有希望吗？

北京时间10月4日17时45分，2017年诺贝尔化学奖公布。
瑞士洛桑大学雅克·杜波切特(Jacques Dubochet)、美国哥伦比亚大学乔基姆·弗兰克(Joachim Frank)和英国剑桥大学理查德·亨德森(Richard Henderson)凭借“研发出能确定溶液中生物分子高分辨率结构的冷冻电子显微镜”获此殊荣。
听得消息后，清华大学生命科学学院院长王宏伟和中国科学院生物物理研究所孙飞研究员都表示——“不意外”。
1、获诺奖并不等于很完美
“前两年就觉得这项技术可以获诺贝尔奖。”孙飞长期从事生物电镜方法学研究，他也是中国生物物理学学会冷冻电镜分会副理事长。
孙飞与三位诺奖获得者虽没有直接合作，但都有过接触。
他在接受采访时介绍，雅克·杜波切特、乔基姆·弗兰克和理查德·亨德森开创的冷冻电子显微成像技术，能让科学家看到生物大分子复合体的高分辨率三维结构，极大地推进了分子生物学研究和对生物奥秘的理解。
值得注意的是，三位科学家的主要工作都是在上世纪七十年代到八十年代做出来的。时间证明了他们的远见。



资料图
图为质多角体病毒CPV的冷冻电镜图像（左上）和质型多角体病毒衣壳三维重构（中）。重构结果中彩色部分为组成该病毒的最基本的非对称结构单元。右图展示该非对称单元的放大图（右上）以及构建的原子模型（右下）。左下图展示的是部分氨基酸的三维重构电子密度图以及构建的原子模型，可以很清楚地看见氨基酸侧链。
孙飞告诉记者，结构生物学领域科学家在大量使用冷冻电子显微成像这项技术。目前该领域最前沿研究方向是进一步改进技术方法，特别是冷冻样品制备方面，进一步提高冷冻电子显微镜的分辨率和技术流程通量。这些方面取得突破后，将使该技术广泛应用于医药开发领域。
“获得诺奖并不表示这项技术已经非常完善。”王宏伟也表示，未来冷冻电子显微成像技术还需要很长的路要走。
王宏伟认为，它需要生物学家、物理学家、计算机学家在方法学上进一步创新，尤其在解析细胞内精细结构和生物大分子的结构变化方面进一步提升。
“虽然是物理学的技术，但给生物物理学打开了新的天地，影响不可估量。”孙飞评价。
耐人寻味的是，这并不是显微成像技术第一次获此殊荣。超分辨率荧光显微技术就曾摘得2014年诺贝尔化学奖。
2、国内应用并不落后
令人欣慰的是，我国在冷冻电子显微镜领域并不落后。
王宏伟介绍，国内最早做冷冻电镜是从上世纪九十年代中期开始。当时清华大学隋森芳院士、中山大学张景强教授、中科院生物物理所徐伟研究员等都在做这方面研究。
到二十一世纪初，冷冻电子显微镜技术逐渐成熟，中国一些科研单位开始布局。
王宏伟告诉记者，2008年清华大学施一公教授购置了亚洲第一台高端冷冻电子显微镜，北京大学医学院、中科院生物物理所也开始采购该设备。此外，国内还从国际上招聘年轻科学家开始这方面研究。



图为施一公教授。
“从2007到2009年，国内开始在此领域有较大投入并加强人才队伍建设。国内大部分从事该领域研究的年轻人与此次三位获奖者有一定的师承关系。” 王宏伟认为，中国那时候开始布局冷冻电子显微镜技术正当其时，因为2013年软硬件的成熟使该技术开始显现出优势。
孙飞告诉记者，施一公教授关于剪切复合体的大量研究都是利用这一技术，中国科学院生物物理所关于植物捕光复合体的高分辨率结构也是利用该技术来完成。
“所以这项技术会促成一大批突出研究成果出现。”孙飞说。
目前，中国在解析大生物分子结构领域的研究非常出色，冷冻电子显微镜技术应用方面在国际上也很有影响力。
但在王宏伟看来，国内在该技术方法学开发方面还需加大力气，今年的诺贝尔化学奖获得者就是在方法学开发上作出了原创性成果。
众所周知，X射线晶体学技术带来的重要发现曾多次获诺奖，冷冻电子显微镜技术是否有同样可能？
“这次诺奖是奖励冷冻电子显微镜方法学上的创新，将来利用这个技术解析出重要分子结构，破解重要生物学问题，完全有可能再得诺奖，中国在这方面也大有希望。”王宏伟说。
中国技术不落后于别国，相信会越来越强大！

5. 冷冻电镜设备有哪些

亲 您好 很高兴为您解答：冷冻电镜设备有：1、冷冻透射电镜2、冷冻扫描电镜3、冷冻蚀刻电子显微镜【摘要】
冷冻电镜设备有哪些【提问】
亲 您好 很高兴为您解答：冷冻电镜设备有：1、冷冻透射电镜2、冷冻扫描电镜3、冷冻蚀刻电子显微镜【回答】
1、冷冻透射电镜冷冻透射电镜（Cryo-tem）通常在普通透射电镜上配备样品冷冻设备，将样品冷却至液氮温度（77K），用于观察蛋白质、生物切片等温度敏感样品。冷冻样品可以减少电子束对样品的损伤，减少样品的变形，从而获得更真实的样品形貌。冷冻透射电子显微镜的价格约为600万美元，非常昂贵。其优势主要体现在以下几个方面：（1） 加速电压高，电子能穿透厚样品（2）透镜多，光学性能好（3）样品台稳定（4）全自动，自动换液氮，自动换样品，自动维持清洁【回答】
2、冷冻扫描电镜扫描电镜工作者面临着一个不可避免的事实，即所有生命科学和许多材料科学样品都含有液体成分。许多动植物组织的含水量高达98%，是扫描电镜工作者最难解决的样品问题。冷冻扫描电子显微镜（Cryo SEM）是一种快速、可靠和有效的方法来克服样品中的水分问题。这种技术也被广泛用于观察一些“困难”的样品，例如那些对电子束敏感的不稳定性样品。各种高压模式的出现，如VP和lvesem，使得扫描电子显微镜能够观察未冻结和干燥的样品。然而，冷冻扫描电镜仍然是防止样品失水的最有效方法。它可以应用于任何真空状态，包括安装在扫描电子显微镜上的Peltier台以及向样品室内冲以水汽的装置。冷冻扫描电镜还有一些其他优点，如具有冷冻断裂的能力以及可以通过控制样品升华刻蚀来选择性地去除表面水分(冰)等。【回答】
3、冷冻蚀刻电子显微镜冷冻蚀刻电镜技术是从50年代开始发展起来的一种将断裂和复型相结合的制备透射电镜样品技术，亦称冷冻断裂或冷冻复型，用于细胞生物学等领域的显微结构研究。冷冻蚀刻电镜的优点：（1）样品通过冷冻，可使其微细结构接近于活体状态（2）样品经冷冻断裂蚀刻后，能够观察到不同劈裂面的微细结构，进而可研究细胞内的膜性结构及内含物结构（3）冷冻蚀刻的样品，经铂、碳喷镀而制备的复型膜，具有很强的立体感且能耐受电子束轰击和长期保存。【回答】

6. 电镜冷冻制备系统哪家好？

冷冻扫描电镜的制样过程分为冷冻固定、冷冻断裂、升华及导电性喷涂，首先是将样品进行冷冻固定，冷冻固定过程尽量保持样品的结构，使水在固化的过程中不结晶而成为玻璃态的水，这样水的体积不会膨胀从而不会破坏样品的原始结构，通常采用高压冷冻的方法和液氮泥快速冷冻方法。高压冷冻方法是在2100个大气压的压力下用液氮将样品冷冻，在此条件下水呈玻璃态。液氮泥是将液氮置于真空环境(约 0.1Pa)，此时液氮为“泥”状，不沸腾，可快速冷冻样品，减少样品中水结晶的可能。冷冻固定后的液态样品，经特殊的装置在真空且低温(-100℃)的环境下将样品断裂，露出新鲜的断面， 然后在真空且温度为-90℃的条件下，水进行升华，将包裹样品的水升华后，进行导电性喷涂(一般喷 Pt)。至此，冷冻制样工作完成，即可将样品通过冷冻传输系统置于扫描电镜的冷台上（温度可低至-160℃） 进行观察。电镜冷冻制备系统推荐选择徕卡。徕卡显微系统将高压冷冻与光刺激或电刺激结合在一起：它使你能够以纳米级分辨率和毫秒级的精度观察动态过程或样品的结构变化。这使得生命科学和工业界的研究人员能够得到他们以前无法通过设计实验来获得问题的答案。譬如说徕卡EM ICE高压冷冻仪，它是少有能够以毫秒精度同步冷冻和刺激的仪器。对任何感光化合物，如乳液、化妆品或食物、和光活化样品，例如蛋白质或各种生物样品施加光刺激。在水和无机溶剂中为冷冻电镜（Cryo-TEM）制备玻璃化样品薄膜，包括生物样品悬液或者工业类乳剂样品，需要使用电镜载网的技术。

7. 哪些学校有冷冻电镜

清华大学、浙江大学、南方科技大学等有冷冻电镜。冷冻电镜，是用于扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术(Cryo-SEM)，可实现直接观察液体、半液体及对电子束敏感的样品，如生物、高分子材料等。

冷冻电镜的优缺点
优点：样品通过冷冻，可使其微细结构接近于活体状态；样品经冷冻断裂蚀刻后，能够观察到不同劈裂面的微细结构，进而可研究细胞内的膜性结构及内含物结构；冷冻蚀刻的样品，经铂、碳喷镀而制备的复型膜，具有很强的立体感且能耐受电子束轰击和长期保存。
缺点：也可造成样品的人为损伤;断裂面多产生在样品结构最脆弱的部位，无法有目的地选择。

8. 为什么冷冻电镜 去年突然火了？是有什么技术突破吗

冷冻电镜，是用于扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术(Cryo-SEM)，可实现直接观察液体、半液体及对电子束敏感的样品，如生物、高分子材料等。样品经过超低温冷冻、断裂、镀膜制样（喷金/喷碳）等处理后，通过冷冻传输系统放入电镜内的冷台（温度可至-185℃）即可进行观察。其中，快速冷冻技术可使水在低温状态下呈玻璃态，减少冰晶的产生，从而不影响样品本身结构，冷冻传输系统保证在低温状态下对样品进行电镜观察。

过去，冷冻电镜虽然有以上优势，不过高能电子束打在样品上也会使其局部融化，影响拍摄。近期，随着高效探测器的研发成功和在电镜方面成功应用，提高了拍摄效率，电子束打在样品上，极短时间内就完成信号收集，完成拍摄，解决了冷冻电镜的发展瓶颈问题