黄新瑞，李 莎，高 嵩△

(1. 北京大学基础医学院生物化学与生物物理学系，北京 100191； 2. 北京大学医学部医学技术研究院，北京 100191)

1 冷冻电镜的发展背景

在人类基因组测定之后，人们发现仅从基因组序列的角度无法完整、系统地阐明生物体的功能，因此，研究以蛋白质为主体的生物大分子三维结构和功能之间的关系成为现代生命科学的一个重要研究领域，尤其是生物大分子高分辨率三维结构的研究甚至原子水平结构的研究[1-2]。透射电镜本质上有原子尺度分辨率的能力，但由于生物样品易受辐照损伤、图像衬度差、信噪比低的特点，使其对生物大分子的高分辨率结构解析比较困难[3-4]。冷冻电镜(cryo-electron microscopy)成像采用冷冻电子显微技术和计算机三维重构技术相结合的方式[5-6]，将含水生物大分子快速冷冻(>104℃/s)到液氮或液氦温度，并在低温条件下(～100 K)采用低电子剂量(如5～10 electron/A2)成像，从而在高分辨水平上研究生物大分子的三维结构。由于生物大分子样品被冷冻的速度极快，样品内部的水来不及结晶而形成玻璃态的冰，从而避免了晶态冰形成时破坏生物分子样品的结构[7-8]。这层非晶态的冰一方面可在电子显微镜中支撑样品，另一方面也可以在电子显微镜镜筒的高真空环境中很好地保存含水生物大分子样品中的水，从而更好地保护生物大分子样品，让其处于或接近于其生理活性状态，有效提高了分辨率[9-10]。冷冻电镜研究的对象小至几个纳米大小的单个蛋白质分子，大至整个病毒粒子，甚至是微米尺度的细胞器[11]。