橡胶冷冻修边机

（1）生物制品的冷冻真空干燥我们做过生物制品冷冻真空干燥的品种有皮肤、角膜、海参、螺旋藻等；从文献中看到其他人做过的冻干产品有心瓣膜、活菌、活毒、骨骼、各种疫苗、血液制品等。生物制品的冻干要求保持产品的活性，活菌、活毒等微生物真空干燥后的存活率要求80%以上，以便于应用。因此，对冻干机工艺要求严格，预冻温度、速度、时间的控制很不容易，保护剂配方、剂量、加入时间和加入方法非常关键，不同的人可能采用不同的配方，达到的效果可能相同。一般各种保护剂的配方都是互相保密的。（2）药材和药品的冷冻真空干燥我们做过的品种有人参、山药、纳豆激酶、北冬虫夏草、林硅油、鹿茸等；从文献中看到其他人做过的品种有各种粉针制剂、中草药制剂、抗生素、布洛芬、脂质体和其他纳米颗粒等。药材和药品需要长期保存，真机需要速溶，放置氧化，避免污染杂菌，保持药效的长久稳定。这些要求都需要通过冷冻真空干燥技术来实现。药材和药品的冷冻真空干燥工艺要求也很严格，寻找合适的冻干保护剂、添加剂、赋形剂都很困难，生化干燥阶段的温度控制、加热速率控制都很关键，严格防止塌陷。（3）食品的冷冻真空干燥我们做的食品有菠菜、苹果、香蕉、库尔勒香梨等；从文献上查到其他人做过的品种有咖啡、茶叶、大蒜、鱼肉、调料等。食品种类繁多，形状、性质相差较大，冻干工艺需要在实验中确定。冻干食品时间较长、耗能较多、价格较高，应该合理选择冻干参数，优化冻干过程，降低冻干昂成本，根据市场需要，选择性价比较高的食品做冷冻真空干燥。（4）冷冻真空干燥在其它领域的应用冷冻真空干燥除了在生物制品、药品、食品和纳米材料制备方面的应用之外，还可以干燥超市的木质文物、古画等，冻干发出来的这些产品能恢复物品的原样；还可以干燥动植物标本，使标本长期保存，栩栩如生；医疗事业做实验用的、具有毒害物质的动物尸体采用冻干干燥法的处理，可以实现环保等。

冷冻共聚焦显微镜及其在冷冻电子断层扫描中的价值 Cryo ET（电子断层扫描）是一种专用的透射电子显微镜技术，可以重建观察区域的三维体积。借助先进的冷冻EM（电子显微镜），图像分辨率可以提升到令人难以置信的亚纳米等级。因此，可以在细胞内的原生环境中研究蛋白质以及其他生物分子，从而揭示尚未探明的分子机制。由于细胞和组织必须薄到能够透过电子，样品必须进行切片以获取足够薄的样品体积（薄层）。为对样品中的靶区进行精确的三维定位，冷冻共聚焦显微镜是必不可少的工具。 以下部分，我们将描述冷冻电子断层扫描工作流程的主要步骤，以及如何通过冷冻共聚焦显微镜定位靶区并进行切片，以提高整个工作流程的可靠性。 在EM网格上培养细胞 通常，在涂有多孔碳膜（例如 QuantifoilR）或二氧化硅（SiO2）膜的金质或钛金网格上植入急性分离或培养的细胞（图1，Mahamid等人，2019）在后续步骤中，钛金属和二氧化硅似乎更加坚硬而且稳定，无需额外添加碳层（Toro-Nahuelpan 2019） 网格通过Poly-L-Lysin或纤连蛋白（Fibronectin）实现生物激活，胰蛋白酶解离细胞在前一晚植入，以便在后续步骤中附着在碳层表面（Mahamid等人，2019）。 图1：采用12纳米厚多孔二氧化硅膜（R 1.2/20，即孔径1.2微米，间距20微米）的3毫米EM金质（Au）网格的反射图像拼接图。HeLa细胞已经植入并玻璃化。实心箭头：定位用的中心标记；空心箭头：聚焦离子束进入的切片槽；虚线箭头：空的网格方格。一个网格方格的边长：90微米。 添加微型图案 为进入细胞样品以成功实现FIB切片并在冷冻TEM中开展后续分析，必须确保相关细胞位于网格方格的中心位置或其附近。但细胞喜欢在网格条上生长或者集簇生长，因此不适合进行FIB切片和电子透射分析。为了克服这一挑战，微型图案技术允许用户控制细胞在碳膜（图2）上的位置和分布，提高相关工作流程的可靠性。 网格表面涂有聚乙二醇（PEG），可防止生物材料附着。利用紫外激光移除该涂层，即可对细胞的黏附进行针对性控制，保证FIB切片以及TEM的可操作性（Toro-Nahuelpan 2019）。此外，可以创建特定图案，从而影响整个细胞结构并且有助于使用冷冻电子显微镜研究生物力学现象。 图2：有/无微型图案的细胞分布情况左图：分布不均的细胞（小鼠A9成纤维细胞，使用Alexa Fluor 488 Phalloidin标记，以显示纤维状肌动蛋白）。右图：网格方格中心定位精确的细胞，可进行FIB（成纤维细胞黏附在纤维蛋白原微型图案表面；图片由Alvéole与德国汉堡CSSB中心教授Kay Grünewald博士共同提供。） 投入冷冻 为在固定用于电子显微镜检查的同时确保样品接近原生状态，细胞必须极速冷冻，以免产生破坏性的冰晶。这个过程称为玻璃化，因为冰片变成无结晶的玻璃状（玻璃体） 为让样品细胞达到这种效果，网格必须快速投浸到适当的冷冻剂（通常为乙烷，或者乙烷和丙烷）中。1981年，Jacques Dubochet发表了首个手动吸液和投入冷冻方法，该方法仍获广泛使用以获取出色的结果（Dubochet, J.以及McDowall, A. W.，1981）。 在投入冷冻之前，必须去除多余的液体。标准技术是使用滤纸实现受控吸液（图3，Dubochet, J等人，1982；Bellare等人，1988；Frederik, P. M.等人，1989）。 图3：在投入冷冻前，通过吸液处理对多余液体进行受控移除。使用镊子固定网格，并通过单独步骤将吸液纸移向网格。吸液传感器可以自动并反复执行该过程。 市面上有多种不同的吸液设备，例如用于自动吸液和投入冷冻的Leica EM GP2。根据不同样品类型的多种需求，可以使用多种涉及吸液步骤的样品制备方案（另见此处）。 冷冻状况下的存储、装载和转移 玻璃化之后，样品必须在整个工作流程期间处于冷冻状况下。因此，必须对从存储到转移至不同成像系统的所有步骤进行冷冻处理，以免样品析晶和/或污染这尤其困难，因为这种低温冷冻样品会像磁铁一样吸引附近的湿气和灰尘。研究人员和制造商付出巨大的努力来开发并提供解决方案，以便在工作流程的不同步骤中保证样品安全。 样品通常以四个为一组存储在网格盒内，而网格盒又保存在大型液氮（LN2）罐中的Falcon多孔试管中。还可以使用更为复杂的冰球系统。 转移并装载到样品架时，通常使用液态氮（LN2）。不幸的是，LN2往往会在一段时间后，因为空气中的水分而产生结晶冰污染。在转移时，这些冰晶可能会附着到网格上，干扰随后的切片和成像过程。此外，LN2内部的能见度很低，因为它在不断移动，而且始终会有条纹。 因此，最好在LN2上部的气相部分装载并转移样品以保持冷冻条件，同时为装载步骤（图4）提供出色的可见性。 徕卡显微系统在提供GN2（气态氮）装载和转移设备方面拥有30多年的悠久历史。新的冷冻显微镜套件就在这些经验的基础上开发而成，同时融合众多客户的反馈意见打造出先进的转移舱和夹具系统。 图4：在冷冻显微镜套件转移舱的GN2（气态氮）环境中装载网格。转移舱的可见度在冷冻条件下不受干扰。 检查样品质量和靶分布 在冷冻工作流程中，一般而言，EM操作时间尤其宝贵，因此对样品进行早期质量检查至关重要。许多因素会关系到样品能否转移到下一个工作流程步骤，包括碳箔的结构完整性、玻璃化的质量（包括冰层的厚度及其分布）、目标细胞的存在、分布和可及性，以及目标结构的存在和定位。 所有这些参数均可通过基于相机的冷冻光学显微镜（例如THUNDER Imager EM Cryo-CLEM）或使用STELLARIS冷冻共聚焦显微镜上的相机模式来检查（图5）。 透射模式显示网格、箔膜和细胞质量，反射图像显示网格表面，尤其是呈现玻璃化质量和冰层厚度，而荧光图像可以提供有关不同靶蛋白的表达水平及其分布情况的信息。 图5：不同模式呈现出网格的完整性以及靶分布。A——网格表面的反射图像可以显示碳膜或二氧化硅层的缺陷以及冰层的厚度。B——绿色荧光（线粒体）。C——液滴分布以实现高精度关联D——通过Hoechst标记的细胞核E——所有模式的叠加图像细胞由德国海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL）Mahamid Group的Ievgeniia Zagoriy友情提供。一个网格方格的边长：90微米。 在LAS X Coral Cryo软件工作流程中，用户可以在引导下，通过不同图像模式对整个网格自动创建清晰的合焦概览图像。 标记标志点、薄片点以及液滴中心 为了关联冷冻LM（光学显微镜）的3D图像以及后续的冷冻FIB-SEM/TEM图像，首先需要获取网格的概览图像以便大致对齐两种模式的图像（图6）。这里，反射图像非常重要，因为它们类似于SEM图像，但也可以使用透射图像。中心标记以及其他标志点（例如碳层中的缺陷）有助于快速定位并对齐概览图。 图6：以不同模式获取整个网格的合焦概览图像，用于识别网格缺陷、对齐标记和靶分布。中心标记用实心箭头表示，二氧化硅层中的主要缺陷用空心箭头突出显示。HeLa细胞由德国海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL）Mahamid Group的Ievgeniia Zagoriy友情提供。蓝色 – Hoechst染料，细胞核；绿色 — 线粒体绿色荧光探针，线粒体；红色 - 深红色液滴和Bodipy荧光染料，脂滴。一个网格方格的边长：90微米。完整网格直径：3毫米。 其次，需要超分辨率的共聚焦3D图像。这些图像堆栈用于在潜在薄片位置的范围内执行高精度关联。完成概览图对齐后，可以找到3D共聚焦堆栈的正确位置以便后续进行高精度关联这样做的前提是必须提供图像相对于概览图以及相对于彼此的位置。这就是Coral Cryo软件工作流程之后的处理步骤（图7）。 图7：相机概览图像与共聚焦Z-堆栈相机和共聚焦图像的组合含有XY坐标位置，因此可以匹配。所有图像都包含在Coral Cryo软件工作流程期间创建的相关项目文件夹中。HeLa细胞由德国海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL）Mahamid Group的Ievgeniia Zagoriy友情提供。蓝色 – Hoechst染料，细胞核；绿色 — 线粒体绿色荧光探针，线粒体；红色 - 深红色液滴和Bodipy荧光染料，脂滴。一个网格方格的边长：90微米。完整网格直径：3毫米。 必须组合相机概览图像和超分辨率3D图像以检索靶区位置并在FIB-SEM上定义切片位置。这个步骤非常重要，因为在标准FIB-SEM中，无法看到荧光以及相应的靶区点位。 EM（电子显微镜）制造商近期研发出一种集成了FIB-SEM功能的荧光显微镜，可以作为在切片过程中通过检查荧光来提高工作流程的可靠性和准确性的一种绝佳选择。不过，这些系统并不具备必要的分辨率以及采集模式的灵活性，无法像单独的共聚焦系统那样实现精确的3D定位。 如何关联并检索薄片位置 作为常用的最低标准，研究人员使用LM图像的屏幕截图在EM上检索靶区的XY坐标。不幸的是，并排比较图像不仅费力耗时而且很容易出错，因此并不可靠。身为工作流程提供商，徕卡显微系统致力于通过THUNDER Imager EM Cryo-CLEM来改善这种情况。研究人员可以在图像上定位标志点和靶区标记，然后以开放EM格式的完整坐标集导出。首先，这个流程适用于2D图像，因此合乎逻辑的下一步骤就是提高分辨率并将坐标系扩展到3D坐标。 对于高精度关联和3D定位，目前广泛采用的是基于液滴的方法（Alegretti等人，2020；Klumpe等人，2021年；Bieber, A.，Capitanio, C等人，2021）液滴通常在玻璃化之前添加到细胞中，可在LM和EM中观察到，用于通过XYZ坐标对齐图像堆栈，作为图像数据相关性的基础，从而正确定位FIB切片窗口（图8）。 典型液滴的尺寸为1微米，完全呈球形，这使其中心坐标能够进行亚衍射拟合。通过SEM中的背散射电子，可以更清晰地观察到含有金属的微滴，从而将它们与大小相似的冰晶区分开来。优先选择液滴，使其荧光发射不同于实际靶的荧光发射，以便能够更好地分辨。 图8：3D共聚焦图像（左）和俯视SEM图像（右）的最大投影。荧光液滴（1微米）在两种模式中均可以观察到，因此可以用于对齐数据。SEM图像细胞由德国海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL）Mahamid Group的Herman K. H. Fung和Ievgeniia Zagoriy友情提供。一个网格方格的边长：90微米。 要使用来自冷冻LM和FIB-SEM的3D数据，在冷冻LM的引导下，进行薄片制备，可以使用一款开源软件（3D关联工具箱，简称3DCT，Jan Arnold等人，2016）。 将冷冻LM图像载入到在FIB-SEM上运行的该软件中。二维LM概览图和SEM图像之间的三点关联用于初步定位。之后，使用离子束获取相关视场，并手动点击LM堆栈和FIB图像中的相同液滴图10显示了一张LM图像和一张FIB图像，其中的靶区点位以及液滴可以在定位软件中重现其排列组合。 图9：在LM和FIB图像中关联标记。左图：点击观察结构周围的液滴，并在3D图像中执行质心定义（白圈中的绿点）计算得到的位置随后投影到FIB图像（右图）上根据液滴标记，计算目标结构的位置并标记到FIB图像中（红圈中的红点）。离子束图像由德国海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL）Mahamid Group的Herman K. H. Fung友情提供。比例尺：20微米。 该软件通过对X、Y、Z信号进行高斯拟合，精准确定液滴的中心。近期的改进增加了半自动液滴检测功能以及其他功能，从而更加方便地执行冷冻FIB工作流程。(SerialFIB, Klumpes等人，2021）。 在网格条上选择围绕最终目标结构的几处液滴，作为切片处理的坐标系。基本计算方法是考虑缩放、旋转以及平移之后的线性仿射变换最后，在LM图像中选择目标结构并叠加到FIB图像上。 根据目标结构的位置，就可以定位切片窗口(图10)。 图10：定位切片窗口左：离子束细胞图像，含有标记液滴和目标结构根据目标结构的计算位置，在所用FIB-SEM的切片软件中，交互定位上下切片窗口的位置（细薄条纹上方和下方的红色方块）。图像由德国海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL）Mahamid Group的Herman K. H. Fung友情提供。比例尺：20微米。 Coral Cryo工作流程具有哪些优势？ Coral Cryo软件工作流程旨在为基于液滴的靶区定位工作流程提供支持。它可以提供创建合焦相机概览图像所需的成像作业（图6和图7）。所有必要的自动对焦功能均可以正确调整并分配，并且可以标记潜在薄片位置，同时能够在定义的位置执行超分辨率共聚焦Z-堆栈。 在定位管理器（图11）中，可以确定所有必要的坐标标记，并且以开放格式（*.xml）提供。此类图像会自动保存，其数据格式可以导入任何FIB-SEM软件。 图11：Coral Cryo软件模块标记点、薄片和液滴标记均可以在软件工作流程中定义。反射图像中细胞的顶部和底部坐标值可以作为在FIB SEM中正确计算靶区3D位置的额外参考。本文前述部分图像中的相同细胞经过突出显示，用于标记定义。 对齐标记用于使用相机概览图像对标记点进行初步的粗略对齐。薄片标记具有双重用途：作为进行超分辨率共聚焦3D扫描的位置标记，或者在图像采集后，作为靶结构的精确3D标记。亚像素插值确保该阶段可以在3D图像内进行高精度定位。最后，插值方法还用于标记液滴坐标，以便在FIB-SEM上进行后续液滴关联。 冷冻FIB切片 进行必要的关联并设置切片窗口，薄片位置通常会粗略切薄至大约1微米，随后进行最终的抛光步骤以达到电子透明（图12）。 图12：目标薄片的离子束图像以及SEM俯视图图像由德国海德堡欧洲分子生物学实验室（EMBL）Mahamid Group的Herman K. H. Fung友情提供。比例尺：10微米。 采用两步方法的原因在于冰污染和/或切片材料可能会沉积在薄片上。为避免在最终薄片上发生冰污染，建议采用快速抛光工艺（Schaffer M.等人，2017）。还可以采用开源的商业软件，以自动方式进行切片。 冷冻透射电子显微镜 进行冷冻FIB切片之后，含有薄片的网格转移至冷冻TEM，通过对网格（连同薄片）逐渐倾斜，采集一系列断层扫描图像。图像经过计算处理以重建所记录体积的3D断层扫描图像。通过对样品的多个图像取平均值，可以降低固有噪点，从而对蛋白质或蛋白质复合物等颗粒获得更高分辨率的结构。这种处理方式称为亚断层图像平均（Wan和Briggs，2016；Zhang 2019）。从概念上说，这相当于通过单颗粒成像（SPA），在原位实现对大分子的亚纳米分辨率。 总 结 本文旨在表明冷冻共聚焦显微镜是冷冻工作流程中的一个重要组成部分，用于评估EM网格上玻璃化样品的质量和靶分布。在冷冻条件下记录的高分辨率共聚焦数据使科学家能够在3D荧光下识别目标结构。此外，3D体积可作为相关方法的参考，以便在FIB-SEM中检索靶结构进行切片，然后在冷冻TEM中进行电子断层扫描，以获得靶区的亚纳米分辨率图像。 Coral Cryo工作流程搭配新的共聚焦平台STELLARIS，再加上Coral Cryo软件，可以帮助新手用户创建网格概览图像、超分辨率3D图像以及精确的坐标标记，为后续的FIB切片和冷冻电子断层扫描奠定坚实基础。 参考文献：（上下滑动查看更多） 1.Allegretti M, Zimmerli CE, Rantos V, Wilfling F, Ronchi P, Fung HKH, Lee CW, Hagen W, Turoňová B, Karius K, Börmel M, Zhang X, Müller CW, Schwab Y, Mahamid J, Pfander B, Kosinski J, Beck M.: In-cell architecture of the nuclear pore and snapshots of its turnover. Nature. 2020 Oct 586(7831):796-800. doi: 10.1038/s41586-020-2670-5. Epub 2020 Sep 2. PMID: 32879490. 2.Arnold, J., Mahamid, J., Lucic, V., de Marco, A., Fernandez, J., Laugks, T., Mayer, T., Hyman, A. A., Baumeister, W., Plitzko, J. M., Biophysical Journal, Vol. 110, Feb. 2016, pp 860-869. 3.Bellare, J. R., Davis, H. T., Scriven, L. E. & Talmon, Y.: Controlled environment vitrification system: an improved sample preparation technique. J. Electron Microsc. Tech. 10, 87–111 (1988). 4.Bieber, A., Capitanio, C., Wilfling, F., Plitzko, J., Erdmann, P.S.: Sample Preparation by 3D-Correlative Focused Ion Beam Milling for High-Resolution Cryo--Electron Tomography. J. Vis.Exp. (176), e62886, doi:10.3791/62886 (2021). 5.Dubochet, J. & McDowall, A. W.: Vitrification of pure water for electron microscopy. J. Microsc. 124, RP3–RP4 (1981) 6.Dubochet, J., Lepault, J., Freeman, R., Berriman, J. A. & Homo, J. ‐C.: Electron microscopy of frozen water and aqueous solutions. J. Microsc. 128, 219–237 (1982) 7.Frederik, P. M., Stuart, M. C. A. & Verkleij, A. J.: Intermediary structures during membrane fusion as observed by cryo-electron microscopy. Biochim. Biophys. Acta 979, 275–278 (1989). 8.Klumpe, S., Fung, Herman K. H., Goetz, Sara K., Zagoriy, I., Hampoelz, B., Zhang, X., Erdmann, Philipp S., Baumbach, J., Müller, C. W., Beck, M., Plitzko, J. M., Mahamid, J. A.: Modular Platform for Streamlining Automated Cryo-FIB Workflows. bioRxiv 2021.05.19.444745 doi: https://doi. org/10.1101/2021.05.19.444745 9.Mahamid J, Tegunov D, Maiser A, et al.: Liquid-crystalline phase transitions in lipid droplets are related to cellular states and specific organelle association. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2019 Aug 116(34):16866-16871. DOI: 10.1073/ pnas.1903642116. PMID: 31375636 PMCID: PMC6708344. 10.Schaffer M, Mahamid J, Engel BD, Laugks T, Baumeister W, Plitzko JM.: Optimized cryo-focused ion beam sample preparation aimed at in situ structural studies of membrane proteins. J Struct Biol. 2017 197(2):73-82 doi: 10.1016/j.jsb.2016.07.010 11.Toro-Nahuelpan, M., Zagoriy, I., Senger, F. et al.: Tailoring cryo-electron microscopy grids by photo-micropatterning for in-cell structural studies. Nat Methods 17, 50–54 (2020). https://doi.org/10.1038/s41592-019-0630-5 12.Wan, W., Briggs, J. A. G.: Cryo-Electron Tomography and Subtomogram Averaging. Methods Enzymol. 2016 579:329-67. Doi: 10.1016/ bs.mie.2016.04.014. 13.Zhang, P.: Advances in cryo-electron tomography and subtomogram averaging and classification. Curr Opin Struct Biol. 2019 Oct 58:249-258. Doi: 10.1016/j.sbi.2019.05.021. 相关产品 UC Enuity 超薄切片机 徕卡显微咨询电话：400-630-7761 关于徕卡显微系统 徕卡显微系统的历史最早可追溯到19世纪，作为德国著名的光学制造企业，徕卡显微成像系统拥有170余年显微镜生产历史，逐步发展成为显微成像系统行业的领先的厂商之一。徕卡显微成像系统一贯注重产品研发和最新技术应用，并保证产品质量一直走在显微镜制造行业的前列。 徕卡显微系统始终与科学界保持密切联系，不断推出为客户度身定制的显微解决方案。徕卡显微成像系统主要分为三个业务部门：生命科学与研究显微、工业显微与手术显微部门。徕卡在欧洲、亚洲与北美有7大产品研发中心与6大生产基地，在二十多个国家设有销售及服务分支机构，总部位于德国维兹拉(Wetzlar)。

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瑞士步琦冷冻干燥含酵母菌的微球应用冷冻干燥应用”益生菌是一种有益于人体健康的微生物，常被用于改善肠道菌群。微胶囊包埋技术可以帮助保护菌株，延长其在体内的存活时间，不易受外界环境的影响而失活。因此，在生产益生菌产品时，需要考虑选择合适的微胶囊技术，以确保益生菌的稳定性和活性。下面这篇应用非常好的结合了微胶囊包埋和冷冻干燥技术，证明菌种经过包埋干燥后仍具有生物活性，为发酵工艺和食品转化等领域开辟新的可能性。1介绍冷冻干燥，也称为冻干是一种非常通用的脱水方法，常用于保存微生物、食物或药物，如蛋白质类药物。它将冷冻和干燥结合在一个独特的操作中，可以创造出高质量的干燥终产品。冷冻干燥通常用于保存微生物培养物，因为它具有不可忽视的优点：储存的方便性和增加邮寄微生物的可能性。此外，制得的产品只需要少量维护，培养基在储存过程中不会受到污染，微生物可以长时间保持活力。然而，众所周知，冷冻干燥技术对微生物至关重要，因为它对微生物的生存能力和生理状态都有负面影响。根据方法和生物体的不同，微生物存活率也各有不同；然而，活力水平明显低于液氮储存 2。观察到的活力下降主要是由于一些不良副作用引起的，例如细胞内冰晶的形成1、敏感蛋白的变性或在此过程中膜脂质的物理状态发生一些不可逆的变化 3,5。为了防止这种影响，通常在冷冻或冷冻干燥前使用脱脂牛奶、蔗糖、甘油、 DMSO 或海藻糖等作为冻干保护物质1,3。据报道，海藻糖在干燥、冷冻、渗透胁迫和热休克等极端环境下对酵母和细菌具有保护作用。这些保护效果与膜的稳定和酶活性的保存有关。关于海藻糖的保护作用，已经报道了几种假设。一些报道认为它的作用是通过多个外部氢键取代参与维持蛋白质三级结构的水分子，另一些报道认为它形成玻璃态结构以确保物理稳定性。除了发酵过程或食品转化，酿酒酵母或乳酸菌等微生物在益生菌膳食食品和饲料补充剂领域具有重要的经济意义。然而，这些应用需要在储存过程中保持细胞活力。通过造粒和冷冻干燥技术相结合，可以得到大小和组成均匀的无尘颗粒。由于具有更高的颗粒表面积，这使得产品将具有良好的颗粒流动性，更容易掌握的剂量和更快的产品复原性。尽管存在上述挑战，冷冻干燥仍然是一种酵母、孢子真菌和细菌的方便保存方法，因为它们的长期生存能力通常保持得相当好，而且菌株的储存和分发要求也很简单。因此，本应用旨在生产酿酒酵母颗粒作为模型微生物，使用微胶囊造粒仪 Encapsulator B-390 作为造粒机，将酵母悬浮液挤压进入液氮中形成单分散球体，然后使用冷冻干燥机 Lyovapor&trade L – 200 进行冷冻干燥处理。2仪器，试剂和器材仪器：ESCO NordicSafe, Biosafety Cabinet Class IIBUCHI 微胶囊造粒仪 Encapsulator B-390BUCHI 冷冻干燥机 LyovaporTM L-200 Pro，干燥腔体搭配可加热搁板BUCHI LyovaporTM Software试剂：YPD 培养基, Sigma Aldrich海藻糖, Sigma Aldrich脱脂奶粉琼脂去离子水液氮器材：玻璃培养皿液氮杜瓦瓶3实验本应用中描述的工作是在无菌条件下进行的。将 84g 市售面包酵母悬浮溶解在 50mL 无菌 YPD 培养基(Sigma Aldrich)中。在酵母悬浮液中加入 50mL 无菌冻干保护剂培养基（5g 海藻糖(Sigma Aldrich)和 5g 脱脂牛奶溶于去离子水中），然后用微胶囊造粒仪 B-390 进行制粒(表1)。将挤压后的液滴收集在液氮浴中冷冻，然后转移到不锈钢托盘中，保存在 -25°C 的冰箱中进行冷冻干燥。表1：微胶囊包埋参数_300μm 喷嘴1mm 喷嘴频率[Hz]68060电压[V]7502500压力[mbar]500500冷冻干燥步骤(初级干燥和次级干燥)使用 LyovaporTM 编程软件，如表 2 所示。使用 LyovaporTM L-200 Pro 干燥腔体、可加热的搁板和环境空气。表2：初级干燥和次级干燥冻干参数无酵母菌微球采用与含酵母菌微球相同成分培养基和参数进行制备。冷冻干燥后，将 1mL 无菌水加入 1mL 微球中，用以复原样品。对于含有酵母菌的菌珠，对每个重组溶液进行10倍、100 倍和 1000 倍的连续稀释。将复原后的溶液和稀释液分别涂于 YPD 琼脂平板上，如图 1 所示。琼脂板在 28℃ 培养 24h，评价细胞活力。▲ 图1：琼脂平板上的酵母活力测试4结果与讨论含有酵母的微球可以通过使用微胶囊造粒仪 B-390 进行包埋制备，结果表明:用微胶囊造粒仪 B-390 将酵母滴入液氮中，可使酵母迅速颗粒化；用 300μm 的喷嘴和 1mm 的喷嘴分别制备了 700μm 和 1500μm 左右的微球。仅使用含冻干保护剂介质的溶液也得到了类似的结果。如图 2 所示，冻干后的微球在形状和大小上与湿冻微球保持相似。▲ 图2：用微胶囊造粒仪 B-390 制得的 300μm 酵母微球，在冻干前（左）后（右）的对比通过扫描电镜对其结构进行分析。在图 3 中，可以观察到含有酵母的球珠(下两图)和仅由冻干保护剂培养基制成的球珠（上两图）在形态上的差异。含有酵母菌的微球具有由 5μm 颗粒组成的粗糙结构，可以认为是微生物，而只含有冻干保护剂的微球具有更光滑的结构。▲ 图3：含酵母菌的冻干微球（下）和不含酵母菌冻干微球（上）的结构对比当冷冻干燥时，考虑到膜中脂质物理状态的变化或由于某些蛋白质结构的变化，生物系统可能受到破坏3,9。为了验证酵母菌的活力，将酵母菌重新水合，稀释，并在 28°C 的 YPD 琼脂板上培养 24 小时。图 4 证实了文献报道的内容，即便失去了部分活力，酵母在冻干后仍然可以生长2,4,6,10。▲ 图4：在 28℃ 琼脂板中培养 24 小时后的酵母菌活力5结论含有酵母菌的微粒可以很容易地用微胶囊造粒仪 B-390 进行制备，并使用冻干机 LyovaporTM L-200 进行冷冻干燥处理。B-390 的喷嘴直径分别为300 μm和1000 μm，制得的微粒直径分别为 700μm 和 1500μm。冷冻干燥后，珠粒的大小和形状没有变化。该颗粒流动性好，容易掌握使用剂量，且与水混合后溶解速度快。冻干后的微生物在贮藏过程中仍能保持良好的活力，并能在复水化后成功生长。在本应用中，造粒包埋和冷冻干燥的结合显示出了非常好的实验结果。它可以在发酵工艺和食品转化等领域开辟新的可能性，有利于生产制备剂量易控制和重组的培养发酵剂；另外，在益生菌和食品补充剂领域中获得无尘且可自由流动的粉末，同时保证产品颗粒大小和组成的均匀度。6参考文献N’Guessan, F. K. Coulibaly, H. W. Alloue-Boraud, M. W. A. Cot, M. Djè, K. M. Production of Freeze-Dried Yeast Culture for the Brewing of Traditional Sorghum Beer, Tchapalo. Food Sci. Nutr. 2016, 4 (1), 34–41.Bond, C. Freeze-Drying of Yeast Cultures. In Cryopreservation and Freeze-Drying Protocols Day, J., Stacey, G., Eds. Methods in Molecular BiologyTM Humana Press, 2007 pp 99–107.Leslie, S. B. Israeli, E. Lighthart, B. Crowe, J. H. Crowe, L. M. Trehalose and Sucrose Protect Both Membranes and Proteins in Intact Bacteria during Drying. Appl. Environ.Microbiol. 1995, 61 (10), 3592–3597.Miyamoto-Shinohara, Y. Imaizumi, T. Sukenobe, J. Murakami, Y. Kawamura, S. Komatsu, Y. Survival Rate of Microbes after Freeze-Drying and Long-Term Storage.Cryobiology 2000, 41 (3), 251–255.Wolkers, W. F. Tablin, F. Crowe, J. H. From Anhydrobiosis to Freeze-Drying of Eukaryotic Cells. Comp. Biochem. Physiol. A. Mol. Integr. Physiol. 2002, 131 (3), 535–543.Lodato, P. Huergo, M. S. de Buera, M. P. Viability and Thermal Stability of a Strain of Saccharomyces Cerevisiae Freeze-Dried in Different Sugar and Polymer Matrices. Appl. Microbiol. Biotechnol. 1999, 52 (2), 215–220.Strasser, S. Neureiter, M. Geppl, M. Braun, R. Danner, H. Influence of Lyophilization,Fluidized Bed Drying, Addition of Protectants, and Storage on the Viability of Lactic Acid Bacteria. J. Appl. Microbiol. 2009, 107 (1), 167–177.Miyamoto, T. (Kyushu U. Kawabata, K. Honjoh, K. Hatano, S. Effects of Trehalose on Freeze Tolerance of Baker’s Yeast. J. Fac. Agric. - Kyushu Univ. Jpn. 1996.Giulio, B. D. Orlando, P. Barba, G. Coppola, R. Rosa, M. D. Sada, A. Prisco, P. P. D. Nazzaro, F. Use of Alginate and Cryo-Protective Sugars to Improve the Viability of Lactic Acid Bacteria after Freezing and Freeze-Drying. World J. Microbiol. Biotechnol. 2005, 21 (5), 739–746.Cerrutti, P. Huergo, M. S. de Galvagno, M. Schebor, C. Buera, M. del P. Commercial Baker’s Yeast Stability as Affected by Intracellular Content of Trehalose, Dehydration Procedure and the Physical Properties of External Matrices. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2000, 54 (4), 575–580.

瑞士步琦冻干新鲜的香蕉切片冻干应用”1简介 冷冻干燥是一种温和的干燥方法，可用于保存食品而不改变其外观或风味。冷冻干燥过程包括将食品样品预冻，然后对冻结样品施加精准的真空控制。在这种条件下，食品中的水分会升华，因此样品最终会干燥。在食品应用中，冷冻干燥常用于生产速溶咖啡和干燥保存水果、蔬菜或草药。2 设备BUCHI Lyovapor&trade L-200 ProBUCHI Lyovapor&trade 软件深冷冰箱，温度 -40°C，tritec HANNOVER不锈钢托盘Mettler Toledo HR73 卤素水分分析仪3 试剂与耗材新鲜的香蕉4 实验过程4.1 样品准备将香蕉切成 5mm 厚的切片，并将这 11 片香蕉切片放置在不锈钢托盘上（图1），然后在深冷冰箱中过夜，温度为 -40℃。另外也可以使用 -20℃ 的冰箱。 ▲ 图1. 带有新鲜切片的香蕉托盘4.2 设置 Lyovapor&trade L-200在深冻24小时后，香蕉片被转移到冷冻干燥机 Lyovapor&trade L-200 中进行冷冻干燥，设置如 表1 所示。表1. Lyovapor&trade L-200 中香蕉片冷冻干燥的设置干燥室类型标准样品塌陷温度未激活不塌陷的安全温度 °C未激活气体类型环境空气设置的货架温度在初级和次级干燥结束时不应超过 25℃（温度设定点）。使用 Lyovapor&trade 软件编程的初级和次级干燥过程步骤如 表2 所示。在初级干燥阶段，从样品中去除基质溶剂，在这种情况下水通过升华去除。在次级干燥阶段，通过去解吸附溶剂来干燥样品。表2. 初级干燥步骤的参数,设置在 Lyovapor&trade 软件上步骤12阶段初级干燥 次级干燥时长12小时3小时温度25.025.0温度梯度0.070.00 压力类型需调整需调整压力0.3700.100安全压力1.5001.500安全压力时长10 104.3 卤素水分分析香蕉干燥后（见 图2），分析了三个香蕉片的剩余水分含量，以评估干燥效率。因此样品在30秒内被研磨在研钵中并转移到水分分析仪中。水分分析采用卤素水分天平，其参数列于 表3，判定标准 5 是指在 1mg/140s 以内没有更多的变化。表3. 水分分析仪设置判定标准5干燥温度℃110▲图2. 冷冻干燥后的盘子上的香蕉片5实验结果和讨论 5.1 冻干香蕉片的外观评价图1 和 图2 分别展示了冻干前后的托盘上的香蕉片。所有 11 片香蕉片都显示出均匀的冻干结构和外观。在干燥过程中，没有观察到它们的尺寸和形态有任何变化。5.2 冻干香蕉片的水分分析为了确定 Lyovapor&trade L-200 的干燥效率，使用卤素水分分析仪分析了三个香蕉片的剩余水分含量。表4 显示了冻干后测量的水分含量和干燥效率的结果。表4. Lyovapor&trade L-200 上冻干后水分分析的结果香蕉切片冻干样品重量g卤素干燥样品重量g水分含量%10.6060.5873.1420.8430.8182.97 30.7940.7703.02所有分析的样本在冻干过程后含水量均小于等于3.14%。香蕉的初始水分含量为76.97% ± 1.24%（n=3）。因此，在Lyovapor&trade L-200上应用描述的冻干方法导致水分去除率至少为95.92% 总的来说，将冻干过程应用于如香蕉片等食品，具有以下优缺点：优势：在低温和低压条件下进行冷冻干燥是一种有效的方法，可以保持食品的颜色、气味、风味和热敏感的营养素消除食品表面的硬化冷冻干燥的食品具有多孔结构，易于复水或溶解。它可以直接食用或复水后食用由于冷冻干燥的食品含水量极低，因此密度相对较小，易于运输。冷冻干燥的食品在室温下可以长期保存，而运输成本远低于冷冻食品冷冻干燥过程中不向食品中添加任何添加剂劣势：如果直接暴露在空气中，冻干食品会迅速吸水复水，导致食品品质下降冻干产品必须真空包装或用氮气进行真空包装，包装材料不得允许水蒸气渗透在运输和销售过程中，由于其疏松多孔的结构，冻干食品很容易碎成粉末或开裂冻干是一个耗时耗能的过程，导致生产成本更高 6实验结论使用Lyovapor&trade L-200，成功实现了香蕉水分去除的高效干燥。7参考文献 G. W. Oetjen Freeze drying Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (2004).https://nuts.com/driedfruit/freeze dried/http://www.chaucerfreezedried.com/https://www.northbaytrading.com/dried-fruit/freeze dried-fruit/H. Tse-Chao Hua, L. Bao-Lin, Z. Hua Freeze drying of Pharmaceutical and Food Products,Woodhead Publishing Series in Food Science, Technology and Nutrition, pages 141–169 (2010).

俄勒冈州希尔斯伯勒市，2022年8月1日讯。赛默飞世尔科技推出了Thermo Scientific Arctis冷冻等离子体聚焦离子束电镜（Cryo-PFIB），这是一款全新的自动化显微镜，经过设计可用于加快冷冻电子断层成像（Cryo-ET）研究的步伐。冷冻电子断层成像（Cryo-ET）技术使得细胞生理环境中的蛋白质研究和其他分子的运行机制研究成为可能，与其他显微镜技术相比，其分辨率达到了前所未有的水平，而且可以在细胞生物学研究方面发挥巨大的潜力，包括传染性疾病、神经退行性疾病和其他具有全球影响力的结构生物学应用。然而，为冷冻电子断层成像技术制备最佳样品的过程仍然耗时且复杂。Arctis Cryo-PFIB通过为用户提供先进的自动化和全新的连接解决方案能力，可以解决工作流程中的多种挑战，与其他的解决方案相比，Arctis Cryo-PFIB极大地提高了通量，可以快速、持续制备适用于冷冻电子断层成像技术的样品。该系统旨在提供厚度均一的高质量样品，同时最大限度地降低样品污染风险。用户可以享受到内置一体化光电联用显微技术、专用等离子体FIB技术、先进的自动化和全新的连接功能，包括简化上样和样品转移功能。亮点包括：1、一体化光电联用显微镜技术（CLEM）：用于快速定位感兴趣的区域。2、等离子体FIB技术：用于快速减薄大块样品并快速定位到感兴趣的区域。3、自动化功能：可简化样品制备并实现远程操作，与当前基于镓的冷冻FIB解决方案相比，可实现长时间的自动化运行、可重复的结果和更高的通量。4、工作流程中的连通性：可简化将样品转移到Thermo Scientific Krios或Glacios冷冻透射电子显微镜（Cryo-TEM）的过程。Arctis Cryo-PFIB 配备了赛默飞世尔科技推出的行业领先的自动上样系统（Autoloader），可自动装载多达12个载网。全新的专用TomoGrid可以确保减薄后的样品与透射电子显微镜倾斜轴实现最佳对齐。如要报名参加9月21日的全球新品发布网络研讨会，请扫描下方二维码注册研讨会。

Thermo Scientific Revco Ultima II Cryogenic Freezers &ndash 给珍贵样品持续稳定的理想超低温度 服务科学，世界领先的赛默飞世尔科技公司（Thermo Fisher Scientific）隆重推出两款革命性的超低温冷冻柜-Thermo Scientific Revco Ultima II cryogenic freezers，可持续稳定地保持样品温度-140℃和-150℃，使生物样品的长期保存变得更安全、更便捷。事实上，在如此低的温度下，生物的代谢活动停止，细胞的存活率大大提高。该超低温冷冻柜切合了临床研究，生命科学和制药机构实验室的实际需求，开发出广泛的应用领域。 相较传统的液氮储存设备，采用机械制冷方式的超低温冷冻柜具有无法媲美的优势。可确保整个腔体内样品温度均匀，储存样本量多达21，600份！而且，所有样品的温度都能确保低于-130℃的临界温度！ Thermo Scientific Revco Ultima II 超低温冷冻柜采用专利的滑轮式单一压缩机设计，CFC-Free 环保冷媒。相较传统的液氮储存设备，更节能，运行成本更低。采用下行式蒸发器设计，制冷风道的效力更高。冷凝器采用大容量风冷设计，双循环风扇，强化散热效果。可拆洗的过滤网最大限度地降低污染，优化仪器性能。 更多信息，敬请登陆www.thermo.com/mechcryo

揭示生物学样本和材料样本原本无法观察到的内部结构冷冻断裂是一种将冰冻样本劈裂以露出其内部结构的技术。冷冻蚀刻是指让样本表面的冰在真空中升华，以便露出原本无法观察到的断裂面细节。金属/碳复合镀膜能够实现样本在SEM（块面）或TEM（复型）中的成像，主要用于研究如细胞器、细胞膜，细胞层和乳胶。这项技术传统上用于生物学应用，但现在逐渐在物理学和材料科学中展现出重要意义。近年来，研究人员通过冷冻断裂电子显微镜，尤其是冷冻复型免疫标记（FRIL），对膜蛋白在动态细胞过程中所发挥的作用有了新的见解。作者：Gisela Höflinger图1：麦叶上的蚜虫适合于电子显微镜的环境电子显微镜的样品室通过抽真空处理降至极低压力。置于这种环境下的活细胞无法有效保全结构，因为细胞构成中的大部分水分会快速蒸发。生物样本的制备方法有很多种。样品材料被（固定）保存，这样后续脱水对原位结构的破坏最小，同时可以使用环境扫描电镜（SEM）或者将水冷冻。高压冷冻是观察自然状态下含水结构的唯一方法。高压冷冻所形成的冰不是六边形冰（从水变为六边形冰时体积会增加）而是无定形冰，因此体积保持不变。所以，对渗透和温度变化敏感的结构得以保留（见文章“高压冷冻基础介绍”）。要观察诸如细胞器、细胞膜、乳胶或液体的表面界面等结构，冷冻断裂是唯一的方法。通过刀片（或类似物）或释放弹簧负载的外力来破开冷冻样本，并沿着最小阻力线断裂样本。图2：冷冻断裂（来源：http://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Lipids/Membrane_Fluidity） 水的升华与凝结 – 冷冻蚀刻与污染要暴露冷冻断裂面，需要把冰去除。这就需要通过把断裂面的冰升华去除以保存样品的结构。升华的过程是冰不经过液态过程直接转化为气态。而液态过程会导致样品体积和结构的破坏。图3：ES，细胞外表面；PF，细胞膜冷冻断裂面；EF，细胞膜外层冷冻断裂面；FS，细胞膜内表面；Cyt，细胞质水的升华/冷凝过程取决于特定温度下的饱和压力，以及水或冰在室内的有效水分压。注意：良好的真空度会降低水分压。例如：温度为-120℃的冰或冰冻样本饱和压力约为10-7 mbar。如果样品室内达到这个压力，则冷凝和蒸发处于平衡状态。蒸发的分子数量等于冷凝的分子数量。在更高压力下，冷凝速度要快于升华速度 – 因此冰晶会在样本表面上生长。必须采取一切手段来避免这种情况。样本上方一个较冷（比样本更冷）的冷阱会降低局部压力，从而起到了冷凝阱的作用。从样本中带出的水分子优先附着在较冷的表面上。在低于饱和压力的压力下，更多的分子升华而不是冷凝，同时会发生冷冻蚀刻。执行冷冻蚀刻直到样本完全无冰，这一过程称为冷冻干燥。仅适用于合理时间内执行的小样本。该过程分为几个步骤，需要从大约-120℃加热到-60℃，同时在每个步骤上使温度保持一定时间。该过程需要几天的时间来完成。图4：饱和蒸汽压力（感谢Umrath 1982提供的图片）样本温度低于-120℃时，蚀刻速度非常慢，蚀刻持续时间会增加到不切实际的程度。如果真空室的压力固定，则可以通过提高样本温度来提高蚀刻速度。对于生物样本，要特别小心温度高于-90℃。蚀刻速度会大幅提高。另外，要注意玻璃态冰中形成六边形冰晶从而导致脱水伪像。纯水的理论升华速度会降低，因为：• 样本深处的水升华速度比表面的水更慢。• 盐和大分子溶剂会降低升华速度。• 生物样本中大量存在的结合水会降低升华速度。通过冷冻断裂生成图像冷冻断裂和冷冻蚀刻技术往往采用高真空精细镀膜技术，将超细腻重金属和碳薄膜沉积于断裂表面。冷冻断裂样本在一定角度下用金属覆盖，然后在碳背衬膜（徕卡EM ACE600冷冻断裂或徕卡EM ACE900与徕卡EM VCT500）上生成复型进行TEM成像或在SEM的试块面上进行成像。对于这两种方法，冷冻断裂表面经过一定的蚀刻时间后以相同的方式进行镀膜。首先在一定角度下进行一层薄的（2-7nm）重金属镀膜，以形成地形对比度（阴影）。其次再针对重金属薄膜，在90°下进行一层厚的碳层（15-20nm）镀膜，以稳定超薄电子束蒸发。此时的蚀刻处理会停止。要对极小的结构进行成像，需要在极低的角度（2–8°）镀膜重金属并在镀膜期间旋转样本。这样可增加细丝状及其它细小结构的对比度。此项技术又称为小角度旋转投影。蒸镀重金属薄膜需要采用电子束蒸发镀膜技术。这种镀膜技术可实现精细定向沉积。碳的支撑层稳定了未被金属覆盖的结构。随着温度的升高，这些结构会改变它们的轮廓，样本不会完全导电，复型也不会粘在一起。冷冻断裂酵母的单向投影图5：低温SEM，BSE（背散射电子）图像。Walther P, Wehrli E, Hermann R, Müller M.（1995）双层镀膜获取高分辨率低温SEM。J Microsc. 179, 229-237。图6：复型，TEM图像（感谢Electronmicroscopy ETH Zürich提供图片）。Walther P, Wehrli E, Hermann R, Müller M.（1995）双层镀膜获取高分辨率低温SEM。J Microsc. 179, 229-237。图7：徕卡高压冷冻，真空冷冻传输至冷冻断裂系统中，利用电子束发射枪和旋转样本底座来进行冷冻蚀刻和低温镀膜。徕卡真空冷冻传输至低温SEM。油/水基样品，–100℃（升华）3分钟暴露油脂结构。图8：徕卡高压冷冻，真空冷冻传输至冷冻断裂系统中，利用电子束发射枪和旋转样本底座来进行冷冻蚀刻和低温镀膜。徕卡真空冷冻传输至低温SEM。原生生物游仆虫混合培养的羽纹硅藻。感谢英国波特斯巴NIBSC的Roland Fleck博士提供图片图9：徕卡冷冻断裂系统及徕卡真空冷冻传输至低温SEM的HPF、冷冻断裂、冷冻蚀刻和低温镀膜。油/水基乳液破裂，露出洋葱状薄片结构，形成液滴。感谢汉堡拜尔斯多夫Stefan Wiesner博士提供的图片。图10：TEM中的酵母细胞复型。经徕卡高压冷冻和徕卡冷冻断裂复型制备。感谢Elektronenmikroskopie ETH Zürich提供的图片。图11：大麦叶上的真菌。安装于徕卡冷冻断裂仪样本台上，并通过冷却样本台在液氮下进行冷冻。徕卡冷冻断裂仪对样品进行部分冷冻干燥（在更高的样本温度下冷冻干燥）。使用钨镀膜。徕卡真空冷冻传输至低温FESEM 5keV。相关产品徕卡EM ACE900 高端EM样本制备冷冻断裂系统徕卡EM VCT500了解更多：徕卡官网

应用电子显微镜高分辨本领和高放大倍率，对物体组织形貌和结构特征进行分析和研究的近代材料物理测试方法。但样品的制作直接影响着结果的准确性，所以制作满足要求的样品就成了整个试验的重点。现将一些常见电镜制样方法简介如下。透射电镜（TEM）TEM放大倍数可达近百万，可以看到在光学显微镜下无法看清的0.1~0.2nm的细微结构。它的样品制备工作量非常大，约占全部测试工作的半数以上或90%以上，是十分关键的。图 透射电镜样品台常用样品台分为两种：顶入式样品台和侧插式样品台顶入式样品台要求样品室空间大，一次可放入多个（常见为6个）样品网，样品网盛载杯呈环状排列，使用时可以依靠机械手装置进行依次交换。优点：每观察完多个样品后，才在更换样品时破坏一次样品室的真空，比较方便、省时间。缺点：但是需要的空间过大，使样品远离下方物镜，不宜减小物镜焦距而影响电镜分辨力。侧插式样品台样品台制成杆状，样品网载放在前端，只能盛放1～2个铜网。优点：样品台体积较小且占用空间较少，可布置于物镜内上部，利于提高电镜分辨率。缺点：不可能一次投入多个样品网中，每换一个样品都要打破一次样品室内真空，稍有不方便。支撑网的选择：支撑网有多种材质如Cu、Ni、Be、尼龙等，选择时要与待分析样品的成分分开。图 筛网尺寸制备原则• 简单• 不破坏样品表面• 获得尽量大的可观测薄区主要制备方法• 支持膜法：• 复型法：• 超薄切片法：• 薄膜试样（电解双喷减薄，离子减薄，FIB等）1. 支持膜法适用范围：纳米颗粒（防止样品从铜网缝隙中漏出）支持膜种类：• 微栅膜• FIB微栅膜• 纯碳微栅膜• 多孔碳膜• Quantifoil规则多孔膜• C-flat纯碳多孔支持膜等图 筛网尺寸制备过程：• 制备支持膜：在铜网上覆盖一层有机膜后喷碳• 选择分散剂：根据样品性质选择，常用无水乙醇• 分散：使用超声波或搅拌将粉末分散成悬浮液液滴上支持膜（两种方法）：（a）滴样：用镊子将覆盖支持膜的铜网夹住，并用滴管向支持膜上滴入数滴悬浮液，使其保持夹持状态直至干燥为止（推荐）（b）捞取：用镊子夹持载网浸入溶液捞取液滴（缺点：双面挂样制备关键和注意事项：• 样品粉末能否在支持膜上均匀分布• 确保实验过程中未带入污染物2.复型法基本原理：利用电子束透明膜（碳、塑料、氧化物薄膜）复制材料表面或者断口形态的间接试样制备方法。适用范围：在电镜中易起变化的样品和难以制成薄膜的试样。样品要求：非晶态、分子尺寸小、导电性、导热性良好，耐轰击，有足够的强度和刚度。复型法分类：塑料一级复型、碳一级复型、塑料-碳二级复型、萃取复型。（1）塑料一级复型样品上滴特定溶液，溶液在样表面展平，多余的用滤纸吸掉，溶剂蒸发后样品表面留下一层100nm左右的塑料薄膜。图 塑料一级复型（2）碳一级复型利用真空镀膜装置将碳膜蒸镀于试样表面，将试样置于真空镀膜装置内，将试样置于所配的分离液内经电解或者化学分离得到分离碳膜便可应用于分析。图 碳一级复型（3）萃取复型图 萃取复型（4）塑料-碳二级复型通俗地说，塑料的一级复型中又制造出碳复型即为二级复型。分辨率相当于塑料的一级复型，对试样无损害，耐电子束辐照，复型带重金属投影。图 碳二级复型3. 超薄切片法适用范围：生物组织、较软的无机材料等。1.取材 2.固定 3.漂洗 4.乙醇或丙酮系列脱水 5.渗透 6.包埋 7.聚合 8.修块 9.切片 10.捞片染色 11.电镜观察注意事项：• 迅速：最短时间内取样,投入固定液• 体积小：所取样品体积不超过1mm3• 轻：轻轻操作，使用锋利器械，避免拉、锯、压• 准确：所取部位有代表性• 低温：在0～4℃内操作4.离子剪薄法适用范围：用于非金属材料或非均匀金属制备过程：• 预处理：按预定取向切割成薄片，机械抛光减薄到几十μm，把边长/直径切割至3mm。• 装入离子轰击装置：• 抛光：获得平坦而宽大的薄区。图 离子剪薄法5.电解双喷减薄法适用范围：只能制备金属试样，首选大块金属。样品准备：• 磨抛厚度均匀，避免穿孔偏• 样品保证清洁• 多准备一些试样，试合适的条件制备步骤：• 样品接正极、电解液接负极，电解液从两侧喷向样品• 样品穿孔后，自动停机• 获得中间薄，边缘厚，呈面窝状的TEM薄膜样品电解液选择：根据样品；不损伤仪器优点：条件易控制，快速，重复性好，成功率较高。图 电解双喷减薄法原理图6. 聚焦离子束法（FIB）适用范围：适用于半导体器件的高精度切割与线路修复。原理：采用从液态金属镓中提取离子束，并通过调节束流强度对指定区域进行快速精细处理。方法：铣削阶梯法，削薄法（H-bar）铣削阶梯法：• 预处理：铣削出两个反向的阶梯槽，中间留出极薄的TEM试样• 标记：刻蚀出定位标记• 定位：用离子束扫描定位标记，确定铣削区域• 铣削：自动或手动完成铣削加工图 铣削阶梯法制备的样品TEM照片削薄法（H-bar）：• 使用机械切割和研磨等方法将试样做到50-100μm厚• 使用FIB沉积一层Pt保护层• 使用FIB铣削掉两侧的材料图 削薄法工作示意图扫描电镜（SEM）扫描电镜样品制备比透射电镜样品制备简单，无需包埋和切片。样品要求：样品须为固体；达到无毒、无放射性、无污染、无磁性、无水分、组分稳定。制备原则：• 表面受到污染的试样，要在不破坏试样表面结构的前提下进行适当清洗，然后烘干；• 新断开的断口或断面，一般不需要进行处理，以免破坏断口或表面的结构状态；• 要侵蚀的试样表面或断口应清洗干净并烘干；• 磁性样品预先去磁；• 试样大小要适合仪器专用样品座尺寸。常用方法：块状样品块状导电材料：无需制样，用导电胶把试样粘结在样品座上，直接观察。块状非导电（或导电性能差）材料：先使用镀膜法处理样品，以避免电荷累积，影响图像质量。图 块状样品制备示意图粉末样品直接分散法：• 双面胶粘于铜片表面，借助棉球使被测样品颗粒直接撒布于其上，并用洗耳球对样品进行轻吹以去除粘附的、没有被牢固地固定的粒子。• 将装有颗粒的玻璃片翻起，对着已准备好的试样台用小镊子或者玻璃棒轻敲，使细颗粒能够均匀地落入试样台上。超声分散法：将少量颗粒放入烧杯内，加乙醇适量，超声震荡5分钟，然后用滴管加入铜片内，使其自然干燥。镀膜法真空镀膜真空蒸发镀膜法（简称真空蒸镀）就是将蒸发容器内需要成膜的原材料在真空室内进行加热，将蒸发容器内的原子或分子气化并从表面逸出，一种形成蒸气流并将其射入固体（称为衬底或基片）的表面以冷凝成固态薄膜的工艺。离子溅射镀膜原理：离子溅射镀膜在局部真空溅射室内辉光放电生成正向气体离子；在阴极（靶）与阳极（试样）之间电压加速时，荷正电离子轰击阴极表面并原子化阴极表面材料；生成的中性原子，向四面八方飞溅，射落在样品表面，从而在样品表面生成了均匀的薄膜。特点：• 对任何待镀材料来说，溅射都是可能的，只要它能够制成靶材即可（适用于难蒸发材料和不容易获得高纯度化合物的相应薄膜材料的制备）；• 溅射所获得的薄膜和基片结合较好；• 消耗贵金属少，每次仅约几毫克；• 溅射工艺具有良好的可重复性，膜厚可控，同时能在大范围基片表面得到厚度均一的膜。• 溅射方法：直流溅射、射频溅射、磁控溅射、反应溅射。1．直流溅射图 直流溅射沉积装置示意图已经很少使用了，由于沉积速率过低~0.1μm/min、基片加热、靶材导电、直流电压和气压都必须很高。优点：装置简单，容易控制，支模重复性好。缺点：工作气压高（10-2Torr）,高真空泵不起作用；沉积速率低，基片升温高，只能用金属靶（绝缘靶导致正离子累积）2．射频溅射图 射频溅射工作示意图射频频率：13.56MHz特点：• 电子作振荡运动，延长了路径，不再需要高压。• 射频溅射可制备绝缘介质薄膜• 射频溅射的负偏压作用，使之类似直流溅射。3．磁控溅射原理：用磁场使电子移动方向发生变化，电子移动轨迹被束缚与拉长，工作气体中电子电离几率增加，电子能量得到高效利用。由此使得正离子轰击靶材产生的靶材溅射变得更高效，可以在更低气压下溅射，而被正交电磁场捆绑的电子则会被束缚于靶材周围，仅能在它们能量消耗殆尽后沉积下来的基片中溅射。图 磁控溅射原理示意图特点：低温，高速，有效解决了直流溅射中基片温升高和溅射速率低两大难题。缺点：• 靶材利用率低（10%-30%），靶表面不均匀溅射；• 反应性磁控溅射中的电弧问题；• 薄膜不够均匀• 溅射装置比较复杂反应溅射溅射气体添加氮气、氧气、烷类等少量反应气体，反应气体和靶材原子共同沉积于衬底上，对于某些不容易发现块材而制造靶材的物质，或者溅射时薄膜成分易偏离靶材原成分，均可用此法进行。反应气体：O2，N2，NH3，CH4，H2S等镀膜操作将制备完成的样品台放置在样品托上，放入离子溅射仪，加盖，旋紧螺丝并开启电源抽真空。当真空趋于稳定时，在5 X10-1mmHg左右，按下“启动”键，用调节针阀把电流调节到6~8mA,开始镀金，镀金1分钟后即自动停止镀金，关好电源、打开顶盖螺丝、放掉气体、取下试样即成。图 Cressington 108Auto高性能离子溅射仪冷冻电镜制样冷冻电镜是扫描电镜超低温冷冻制样传输技术（Cryo-SEM）可以实现液体，半液体和电子束敏感样品的直接观测，例如生物和高分子材料。样品经超低温冷冻，断裂和镀膜制样（喷金/喷碳）后可由冷冻传输系统置于电镜中的冷台上（温度可至-185°C）观察。适用范围：塑料，橡胶及高分子材料，组织化学，细胞化学等样品制备要求：能够保持本身的结构，又能抗脱水和电子辐射方法：（a）通过快速冷冻使含水样品中的水处于玻璃态，也就是在亲水的支持膜上将含水样品包埋在一层较样品略高的薄冰内。图 液氮冷冻（b）采用喷雾冷冻装置（spray-freezing equipment），结合基质混合冷冻技术（spray-freezing），可在极短时间内将两种溶液（如受体和配体）混合（ms量级），然后快速冷冻。图 喷雾冷冻装置金相制样金相分析是材料研究领域中非常重要的一个环节，也是材料内部组织研究的一种主要方法。利用定量金相学原理通过对二维金相试样磨面或者薄膜进行金相显微组织测量与计算，确定合金组织在三维空间中的形态，进而建立合金成分，组织与性能之间定量关系。制样过程：样品切割、镶嵌样品、机械制样、检验样品样品切割方法：金相最适合的切割方法是湿式切割轮切割法。优点：所造成的损伤与所用的时间相比是最小的切割片的选择：主要依据材料的硬度和韧性进行选择。图 砂轮片的选择• 陶瓷和烧结碳化物：金刚石切割片• 钢铁材料：氧化铝（Al2O3）切割片和CBN切割片• 有色金属：碳化硅（SiC）切割片镶嵌样品金相样品镶嵌技术（以下简称镶样）是将试样尺寸小或形状不规则造成研磨抛光痛苦时镶嵌或夹持，以便于试样抛磨，提高工作效率和实验精度的一种工艺方法。镶样一般分为冷镶和热镶。冷镶应用：对于温度和压力极为敏感材料、和微裂纹试样要进行冷镶，会使试样组织不发生改变。图 冷镶示意图冷镶材料：一般包括环氧树脂、丙烯酸树脂、聚脂树脂。• 环氧树脂：收缩率低，固化时间长；边缘保护好，用于真空浸渍，适用于多孔性材料；• 丙烯酸树脂：黄或白，固化时间较短，适合批量大、形状不规整样品镶样；对于含裂纹或者孔隙的试件渗透性更好；尤其是对印刷电路板的封装；• 聚酯树脂：黄色、透明、固化时间较长；适用于大批量无孔隙的试样制样，适用期长；真空浸渍：多孔材料（如陶瓷或热喷涂层）需真空浸渍。树脂能增强这些脆弱材料并能尽量减少制备缺陷（例如抽出，开裂或未开孔等）。只有环氧树脂由于其低粘度、低蒸汽压的性质，才能在真空浸渍中使用。荧光染料和环氧树脂可以被混合以方便地发现荧光灯中所有被充填的孔隙。图 冷镶制样 图片来源：司特尔公司热镶应用：适用于低温及压力不大的情况下不发生变形的样品。图 热镶示意图镶材料：目前，通常多用塑料做镶嵌材料。镶嵌材料包括热凝性塑料（如胶木粉），热塑性塑料（如聚氯乙烯），冷凝性塑料（环氧树脂加固化剂）和医用牙托粉与牙托水。胶木粉不透光、色泽多样、且较坚硬、样品不易倒角、但抗强酸、强碱耐腐蚀性较差。聚氯乙烯呈半透明或透明状，抗酸碱耐腐蚀性能良好，但柔软。热镶试样图片来源：司特尔公司机械制样机械制样可分两种操作：研磨和抛光1.研磨研磨的终极目标就是要得到损伤最小的平表面。这些小损伤会在后续抛光中短时间内被去除。研磨分为粗磨和细磨两个过程。• 粗磨粗磨过程就是把全部试样表面变成一个类似的面，用比较粗的固定研磨颗粒就能快速磨去材料。• 精磨 精磨会使样品有些微变形，但这些变形在抛光过程中就会消除掉。2.抛光抛光就像研磨，还得除去前道工序造成的伤害。它可以分为金刚石抛光与氧化物抛光两大工序。• 金刚石抛光唯有把金刚石当作研磨料来抛光才有可能在最快的时间内得到最佳研磨平面。其原因是金刚石非常坚硬，几乎能切割所有的物质和相态。• 氧化物抛光 对于特别软、韧性的样品，须采用氧化物抛光法。抛光在抛光布上完成。金刚石抛光时还须用到润滑剂。研磨和抛光设备检验样品打磨后的检测部位变的发亮，在观察组织的时候需要先将试样的检测部位腐蚀掉，做好之后使用酒精冲淋，使用吹风机吹扫。

核糖体是一种广泛存在于细胞中的分子机器。所有生物，包括微小的细菌直至人类个体，都依赖核糖体对各种各样的蛋白质进行生物合成。作为一个分子量巨大的复合物，核糖体本身是如何在细胞中由多条RNA链及超过70种蛋白分子装配而成?这一问题已困扰相关领域科学家近30年。　　核糖体自身是一个由核糖核酸(RNA)和蛋白质组成的超大复合物(半径20纳米)，其三维结构和分子机制的研究一直是生命科学基础研究中的重要方向。2009年的诺贝尔化学奖即授予了首次解析出细菌核糖体原子分辨率的三位结构生物学家。　　真核细胞核糖体装配过程是个高度复杂的动态过程，有超过300种不同功能的辅助装配因子(蛋白质或者RNA)参与其中。然而绝大多数装配因子的结构及其行使功能的分子机理完全未知。此外，核糖体的组装与细胞的生长调控通路密切相关，某些装配因子的遗传突变会导致核糖体生物生成的失调，引起一系列的人类遗传性疾病(称为ribosomopathies)。某些特定的装配因子(例如eIF6)不正常表达也在多种人类癌症细胞中被发现。因此，针对核糖体装配过程的研究不仅具有重要的科学意义，还具有潜在的临床应用潜力。　　图1酵母核糖体大亚基组装中间体的3.08埃冷冻电镜结构。a，3.08 埃冷冻电镜密度图，核糖体蛋白颜色为米色，核糖体RNA颜色为灰色。b，19个装配因子的原子模型。　　清华大学生命科学学院高宁研究组自2009年一直致力于研究各种生物的核糖体装配过程。2013年，高宁研究组和美国卡内基梅隆大学的约翰伍尔福德(John L. Woolford Jr)教授研究组携手合作，利用清华大学的高端冷冻电镜平台，以真核生物酵母菌为材料，开展真核核糖体的装配研究工作。2015年，合作研究获得重大突破，课题组得到了酵母细胞核内的一系列组成上和结构上不同的核糖体60S亚基前体复合物的冷冻电镜结构。其中一种状态的三维结构分辨率达到3.08埃，其核心部分的分辨率可达2.8埃，是国际在核糖体组装研究领域迄今为止分辨率最高的结构。基于这一冷冻电镜结构，课题组确定了超过20种不同装配因子在核糖体60S前体上的结合位置，并获得了19种装配因子的原子模型。课题组所提供的丰富结构信息为详细阐释真核核糖体装配过程中的多种装配因子功能和分子机制提供了重要基础。　　2016年5月25日，报道这一重大突破的研究论文在线发表于《自然》(Nature)期刊，题目为《细胞核内的核糖体组装前体结构揭示了装配熟因子的功能多样性》(Diverse roles of assembly factors revealed by structures of late nuclear pre-60S particles)。高宁研究员和卡内基梅隆大学约翰伍尔福德(John L. Woolford Jr)教授为论文共同通讯作者，清华大学生命学院2013级博士生吴姗为第一作者。北京生命科学研究所董梦秋教授及谭丹博士提供了化学偶联交联质谱数据。论文中冷冻电镜数据收集和处理工作获得了国家蛋白质科学(北京)设施清华大学冷冻电镜平台及高性能计算平台支持。课题组得到了中国科技部、国家自然科学基金委、清华大学自主科研、北京高精尖结构生物学中心的经费支持。　　论文链接

生物技术作为生命科学前沿与工程技术相结合的综合性学科，在生物、医药、检验检疫和疾病控制等各个领域的应用得到迅猛发展，而冷冻干燥、灭菌和发酵技术的应用作为生命科学领域最常规和必不可少的过程，有着广阔的应用和发展前景。 德国Martin Christ公司作为世界上最先进的冻干机制造商，经历50多年的冻干机生产设计，对各种冻干工艺的应用和优化有着丰富的经验；Systec公司是一家专业制造实验室及中试型高压蒸汽灭菌锅的德国制造商，在德国市场占有主导地位，其宗旨是根据市场客户的需要设计及制造安全、精确及高度重复性及符合认证标准的灭菌过程之灭菌器；瑞士Infors公司在微生物与细胞培养器领域拥有超过40年的设计制造经验，其摇床和发酵罐产品享誉欧美市场，是摇床和发酵罐设计制造行业的领先者。 基于对中国生物产业发展的充分理解和Know-how信息的传递，以及用户对建立GLP标准实验室和GMP标准生产企业的需要，以上三家公司定于2006年6月23日在深圳生物孵化器内联合举办现代冻干、灭菌与发酵技术应用研讨会。我们诚挚地邀请您届时光临指导！时间：2006年6月23日9:00－16:00地点：深圳市南山区高科技园区高新中一道生物孵化器大楼一楼学术报告厅主办单位：深圳现代生物技术学会协办单位：深圳市尚能科技有限公司北京博劢行仪器有限公司广州办事处联系人：郑爱中 先生电话：0755-83481852传真：0755-83481853E-mail：szzheng@gmail.com marketing@upetech.com详细情况请登www.upetech.com新闻动态栏目查询，欢迎索取参加表格 北京博劢行仪器有限公司 2006 年 6 月

仪器信息网讯 6月3日晚，&ldquo 国际冷冻电镜图像处理技术培训班&rdquo 在清华大学正式开讲。当晚国际著名结构生物学家Sjors Scheres博士(被《科学》杂志评为2014年度十大科技人物之一)通过视频直播做了关于单颗粒冷冻电镜技术最新进展及展望的报告。虽然是晚上，会场里依然挤满了人，报告结束后，学员们向Sjors Scheres博士提问交流了许多问题，会议直到很晚才结束。　　本次培训班将一直持续到6月7日，每天的培训从早晨8:30分开始，上午举行培训报告、下午进行实际操作、晚上是讨论环节，直到晚上9点一天的培训才结束。如此紧凑的培训安排，学员们依然精神饱满，每次培训现场都是人员爆满，经常能看到大家向前来授课的专家请教，或是相互间讨论学习，现场气氛十分热烈。　　看到这样的情景，本次大会的执行主席清华大学王宏伟教授和中科院生物物理所孙飞研究员颇感欣慰。一直以来，他们希望通过这个培训班，能够让大家更好地学习和掌握最前沿的冷冻电镜领域技术，从而推动我国冷冻电镜技术的创新发展。国际冷冻电镜图像处理技术培训班讲座现场　　立足国际前沿，培养高层次冷冻电镜人才　　2012年，孙飞去瑞士参加Gordon Research Conference，会议上关于冷冻电镜图像处理算法的讨论特别多。而当时国内对于这方面的了解还很少，这让他深深地体会到国内的相关研究已经有些落后了。所以回国后，他就和王宏伟讨论决定举办培训班来加强和推进我国在这方面的研究工作，他们的想法得到了隋森芳院士的肯定和支持。2013年在中科院生物物理所举办了第一届培训班。今年在清华大学举办的是第二届。　　由于冷冻电镜图像处理技术涉及很多理论和实践细节，为了保证培训班的效果，孙飞和王宏伟也是花费了不少心思&mdash &mdash 早在半年前他们就开始了本次培训班的筹备工作。他们邀请了这个领域里顶尖的冷冻电镜图像处理技术专家和软件作者前来授课。对于培训的主题，经过与报告人的多次沟通交流和细化，最终确定大家最感兴趣的前沿和热门技术领域。　　&ldquo 这让我们能够比较快地跟上国际步伐，站到技术发展的最前沿。比如本期培训班，我们根据冷冻电镜技术的发展方向，有倾向性地选择了培训的内容，除了单颗粒蛋白质结构解析之外，还增加了针对细胞结构解析的培训内容，如Tomography、Sub-Tomogram Averaging等，还有建立高分辨率原子模型的技术等。&rdquo 王宏伟说道。　　另外，培训班还设置了充分的时间来进行实际操作和讨论。王宏伟说：&ldquo 操作和讨论是培训非常重要的环节。如果只有报告，那就成为国际会议了。而安排实际操作确实是非常不容易，它要求我们要有相应配套的硬件设施，要有足够的计算机终端，把所有的软件都事先安装调试好。因此我们也不得不筛选和控制学员人数，确保来学习的人能有最大的收获。&rdquo 国际冷冻电镜图像处理技术培训班实际操作现场　　晚上的讨论环节在目前国内的培训班中还是很少见的。对此，孙飞说道：&ldquo 其实经过白天的讲座和实际操作，大家肯定会有很多问题，晚上的讨论环节能够很好地及时帮助大家解决问题，更好地巩固学到的知识。另外，在培训班举行之前，许多培训材料就已经上传到网上，供大家下载预习，这对于提高学习效果也很重要。看看我们的安排，就知道大家在培训期间根本没有时间出去放松，必须将所有的精力都聚焦在培训上。&rdquo 　　在精心的组织安排下，培训班取得了非常好的效果。王宏伟介绍说：&ldquo 第一届培训班之后，许多学生都成长起来了，有一些到了国外很快就掌握了相关技术并做出了突出成绩，有些学生甚至都已经参与到图像处理新方法的开发中了。&rdquo 　　开展基础培训，让更多人了解冷冻电镜技术　　就在本次国际冷冻电镜图像处理技术培训班举行之前，孙飞和王宏伟负责组织的另外一个培训班&mdash &mdash &ldquo 2015年度国内首届冷冻电镜成像技术培训班&rdquo 刚刚结束。据介绍，和图像处理技术培训班针对已经有一定冷冻电镜基础的人员不同，这个培训班主要是为了满足其他非电镜领域研究人员的需求，以介绍基础概念、理论和操作为主。国内首届冷冻电镜成像技术培训班实际操作现场　　孙飞介绍说：&ldquo 随着冷冻电镜技术的飞速发展，很多以前从事结构生物学研究的人，特别是利用X射线晶体学技术和核磁共振技术的研究人员，对冷冻电镜技术充满了兴趣。但是该技术门槛比较高，需要专门的培训才能掌握。我们和国内的冷冻电镜专家还有电镜厂商交流过，他们都非常愿意参与这个培训班的教学工作并贡献自己的力量。所以我们就组织了这样一个培训班，结果也是报名人数非常多，我们最后不得不筛选并控制人数。&rdquo 　　近年来，国家对于电镜平台的建设非常支持，尤其在冷冻电镜技术领域国内先后有多家科研院所建立了相应的研究平台。但是正如孙飞所言，仪器设备可以买、软件可以买，但是要真正用好这些仪器和软件、掌握好关键技术，我们还需要优秀的人才，要通过不断积累并逐步开展方法学研究，将来做一些由我们自己引领的研究。相信通过这一系列的培训班，会有越来越多的人了解冷冻电镜，越多越多的人成长起来，成为我国在该技术领域强有力的新生力量，未来为我国冷冻电镜技术的发展贡献自己的力量。　　撰稿：秦丽娟

Lyostat Vs DSCDSC（差示扫描量热法）和mDSC（调制差示扫描量热法）是通常用于确定玻璃化转变温度 (Tg’) 的热技术，用于干燥样品的稳定性研究。这些技术还可用于分析冷冻样品，以开发安全高效的冷冻干燥循环。Lyostat5是一种冷冻干燥显微镜 (FDM)，它允许用户识别和记录样品的“崩溃”温度。 它还提供有关共晶事件和表皮形成的数据，实时显示材料在逐步上升的温度中干燥时的结构。塌陷是冷冻干燥的关键事件。塌陷定义为冻干制剂的溶质相在除去溶剂后不能保持其结构完整性的点，导致形成粘性流。它通常在比玻璃化转变 (Tg' ) 温度更高时发生。玻璃化转变 (Tg' ) 是无定形材料从硬且相对脆的状态到熔融或类似橡胶状态的可逆转变。尽管玻璃化转变通常被认为是冷冻干燥的先决条件，但通常在明显更高的温度下发生的坍塌温度实际上是最关键的临界温度。项目Lyostat DSC塌陷温度 √×是否为冷冻干燥设计 √×熔化事件 √√起皮 √×1 Lyostat的优点√ Lyostat是一种宝贵的研发工具，专为冷冻干燥而设计；√ 使用Lyostat 分析仅使用2µl样品，分析通常在一小时内即可完成；√ Lyostat分析由电脑控制以提供复杂的图像和数据捕获，并提供数据的分析；√ Lyostat 允许用户分析样品时制作视频资料，可用于展示和重现分析过程用于分析；√ Lyostat的软件提供符合21 CFR part 11的版本。2 为什么选择Lyostat5√ 冻干显微镜允许您定义样品的确切“坍缩”温度，这是DSC无法做到的。了解产品的塌陷行为至关重要，因为在冻干过程中塌陷的产品可能会遇到一系列问题，包括保质期缩短、活性降低和复原不良；√ 使用塌陷开始作为循环的基础将允许比使用玻璃化转变温度更高的温度，这意味着更快的干燥；√ 冻干显微镜允许您观察干燥样品的变化并获得数据，这将使您能够使用系统方法而不是反复试验来开发新配方和新周期；√ 冻干显微镜还能使您能够放大或优化现有流程。项目LyothermDSC玻璃转化温度√√结晶事件√√熔化事件√√有/无热变化的样品软化√×专为冷冻材料和冷冻干燥而设计√×Lyotherm Vs DSCLyotherm是开发冷冻配方的强大工具。它提供比冻结状态DSC分析更多的信息，因为它同时执行阻抗和热分析。1 Lyotherm的优点√ Lyotherm 允许对冷冻样品进行电阻抗和差热分析 (DTA)；√ 阻抗分析揭示了有关冷冻的硬度（分子迁移率）的信息；√ DTA是一种类似于DSC的技术，在提供阻抗分析的同时提供热数据；√ 刚度的变化并不总是与热变化相关，因此并不总是在DSC或DTA分析中看到它们。2 为什么选择Lyotherm？√ 阻抗显示即使没有发生热变化，样品也会软化，这可能与生物产品特别相关：在软化状态下储存冷冻材料会缩短保质期；√ 冷冻干燥敏感产品在低于崩溃开始温度但处于软化状态下会导致活性降低和重构不良的问题；√ Lyotherm分析可让您观察玻璃化转变温度和任何结晶或共晶熔化事件，从而创建具有适当冷冻、退火和干燥条件的循环；√ 由于大多数冷冻干燥产品都不同程度地呈无定形，因此Lyotherm是分析冷冻干燥产品必不可少的工具。分析技术的比较下图显示了使用mDSC和Lyotherm对无定形材料*进行的冻结状态分析。使用mDSC分析未检测到显着变化。然而，使用Lyotherm检测到软化和玻璃化转变。虽然DSC是测试干燥样品的理想之选，但Lyotherm专为冷冻干燥而设计，可为冷冻样品提供额外数据。- 使用mDSC进行的样品分析* 产品在 –70°C 和 0° 之间没有特定变化* 无玻璃化转化迹象- 使用Lyotherm进行的样品分析* 阻抗分析显示 –50°C 时的玻璃化转变* 在 –37°C 下显示的冷冻材料在坍塌前的软化

p　　strong仪器信息网讯/strong 冷冻电镜，是用于电镜的超低温冷冻制样及传输技术(Cryo-EM)，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。2017年诺贝尔化学奖授予了三位杰出的生物物理学家Jacques Dubochet、Joachim Frank和Richard Henderson，以表彰他们在Cryo-EM发展过程中的推动性贡献。此次获奖也将人们对Cryo-EM这项技术的关注推向新的高度。/pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/66bc40e7-3748-4e22-973e-016b023580af.jpg" title="002.jpg" alt="002.jpg"//pp　　由于针对生物样品，Cryo-EM技术克服了传统电镜技术真空环境、电子辐射损伤等问题，使得该技术在结构生物学领域得到广泛应用与发展。随之，一批高质量研究成果相继发表前提下，国内科研机构对Cryo-EM技术、设备的引进配置也不短涌现：6月份，武汉病毒所2789万元采购1套日本电子冷冻透射电镜 10月份，哈尔滨工业大学6633万元采购2套赛默飞冷冻电子显微镜系统 11月份，清华大学和上海交通大学先后发布招标公告，分别拟8352万元与7665万元采购两套冷冻电镜系统。值得一提的是，11月19日，南方科技大学冷冻电镜中心揭牌，中心将安装300千伏冷冻电镜6台，200千伏冷冻电镜2台，120千伏电镜2台，共计10台冷冻透射电子显微镜及其它71台/套相关辅助仪器和样品制备设备，全部建成后，将是我国配套最齐全、最先进的冷冻电镜实验室。/pp　　在此背景下，聚焦仪器行业关注热点，仪器信息网仪器论坛特别开设“冷冻电镜(Cryo-EM)”版面，并于即日正式上线。旨在促进Cryo-EM学术交流和成果传播，为相关专家学者、一线用户等提供交流讨论在线平台。span style="color: rgb(255, 0, 0) "欢迎冷冻电镜专家学者前来分享互动!/spanspan style="text-decoration: underline color: rgb(0, 176, 240) "【/spana href="https://bbs.instrument.com.cn/forum_711.htm" target="_blank" style="text-decoration: underline color: rgb(0, 176, 240) "span style="color: rgb(0, 176, 240) "版面链接/span/aspan style="text-decoration: underline color: rgb(0, 176, 240) "】/span/pp　　同时，为更好促进Cryo-EM技术交流、针对网友不同提问深入探讨，“冷冻电镜(Cryo-EM)”span style="color: rgb(255, 0, 0) text-decoration: none "版面的版主专家招募活动正式开启，欢迎自荐或推荐合适人选!/span/pp　　span style="color: rgb(255, 0, 0) "【申请条件】/span/pp　　1. 熟悉冷冻电镜的操作或样品制备等，具有一定的专业技术水平 /pp　　2. 乐于分享经验并解答版友求助问题。/pp　　span style="color: rgb(255, 0, 0) "【版主专家职责】/span/pp　　1. 活跃论坛，规范版面秩序 /pp　　2. 发起话题，组织活动，引导讨论 /pp　　3. 积极解答版友的求助帖 /pp　　4. 发现推荐新版主、专家。/pp　　span style="color: rgb(255, 0, 0) "【版主专家福利】/span/pp　　1. 仪器信息网科学仪器发展年会ACCSI(科学仪器行业年度盛会)针对版主、专家定向邀请，免费参会 /pp　　2. 仪器论坛协助版主、专家发展论坛个人品牌，塑造个人形象，提升版主、专家在科学仪器行业声望 /pp　　3. 仪器论坛每季度会进行优秀版主、专家评选，不仅有现金奖励，更会提供专属证书，为版主、专家证明荣誉 /pp　　4. 仪器信息每年举办的小蜜蜂奖励金评选(科学仪器行业内，对实验员名利双收的奖励)，会着力关注用户在论坛中的表现，仪器论坛优先举荐合格的版主、专家。/pp　　span style="color: rgb(255, 0, 0) "【申请方法】/span/pp　　方法一：加微信xyz4077(小叶子)/pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/174fd508-0f9f-461d-b0d9-0be6e7cfdb1d.jpg" title="000.jpg" alt="000.jpg"//pp　　方法二：填写表单——a href="http://lengdong.mikecrm.com/RSZCB8x" target="_blank" style="color: rgb(255, 0, 0) text-decoration: underline "span style="color: rgb(255, 0, 0) "仪器信息网论坛冷冻电镜版面版主专家招募链接/span/a/p

项目编号：SHXM-00-20220511-1019项目名称：上海科技大学冷冻聚焦离子束显微镜预算编号： 0022-W13040 预算金额（元）： 23000000（/）最高限价（元）： 21390000 采购需求： 包名称：上海科技大学冷冻聚焦离子束显微镜 数量：1 预算金额（元）：23000000 简要规格描述或项目基本概况介绍、用途：*束流范围：≥ 5pA – 2 uA； *最大平行场宽度（Maximum horizontal field width）：≥0.9mm （at coincidence point共聚点）； *分辨率（Xe+离子束，30kV）：≤20nm ； 合同履约期限： 收到信用证后90天内到上海科技大学 本项目（ 不允许 ）接受联合体投标。

2018年以来，仪器信息网持续跟踪了以球差校正、冷冻透射电镜为代表高端电镜在中国市场的采购配置动向。工欲善其事必先利其器，在我国大力推进科学技术创新背景下，见证了中国市场对高端电镜的强大需求，也见证了在高端电镜助力下，一系列世界前沿科技成果已写在祖国大地上。新冠疫情影响下，2020年国内高端电镜采购规模相较前两年有所下滑，2021年上半年继续放缓，但考虑到每年的采购高峰均出现在下半年，2021年整体情况还主要依赖于下半年的市场表现。半年为周期，近三年余我国高端电镜统计中标数量&金额变化图（文中所有图表数据自仪器信息网中标数据统计）疫情之下，国内高端电镜采购数量和金额继续受到波及。从本网统计公开的招标形式高端电镜中标数据来看，2018、2019年，国内高端电镜采购总金额连续突破10亿元；疫情影响下，2020年高端电镜总采购金额下挫三成；2021年上半年，高端电镜采购规模相较2020年上半年略有下降。2021年上半年，统计中高端电镜的冷冻电镜和球差校正电镜分别中标3台/套、2台/套，总中标金额约1.5亿元。(文中统计“高端电镜”泛指单价1500万元级别或以上冷冻电镜、球差电镜)同时，高端电镜的采购高峰均出现在下半年，据本网不完全统计，刚结束的7月份内，已有三家单位采购了日本电子球差校正电镜！另外，目前已经公开高端电镜采购意向、且预计采购时间在下半年或尚未完成采购的项目金额约5亿元，其中球差校正电镜采购意向7套，冷冻电镜采购意向7套。从已公示的采购意向趋势看，2021年下半年高端电镜市场或将迎来不俗表现。冷冻电镜篇：AI精准预测迎里程碑 赛默飞中标3套冷冻电镜AI精准预测蛋白结构里程碑2021年7月，人工智能预测蛋白质3D结构技术一声惊雷，DeepMind和华盛顿大学团队的最新成果同日抢发Nature和Science！去年年底，谷歌 AI 团队 DeepMind 的第二代 AlphaFold 算法在生物界引起了极大的轰动，它能准确地预测蛋白质的结构，以至于许多人宣布这个长达数十年的问题“已被解决”。 具体而言，AlphaFold2 在国际蛋白质结构预测竞赛（CASP）上精确地基于氨基酸序列预测蛋白质的3D结构。其准确性可以与使用冷冻电镜（CryoEM）、核磁共振或 X 射线晶体学等实验技术解析的3D结构相媲美。7月15日，西雅图华盛顿大学医学院蛋白质设计研究所的研究团队在最新一期《Science》上，公布了其人工智能系统RoseTTAFold的研究结果，它在预测蛋白质3D结构方面的表现，与AlphaFold2的水平几乎相当，而且速度更快、所需计算机处理能力更低，更令人惊喜的是，RoseTTAFold 直接免费开源！同日（7月15日）， DeepMind 的 CEO 哈萨比斯等人在 《Nature》上也发表论文，公布了 AlphaFold2 的源代码，并且详细描述了它的设计框架和训练方法。有趣的是，为了和 Science 同一天抢发论文，Nature 特意在论文标题前开头备注：“这是一份未经编辑的手稿，但是已允许出版。Nature Research 乐意为作者和读者提供这份手稿的早期版本。” 7月22日，其最新成果以论文的形式发表在Nature期刊上，论文标题为“Highly accurate protein structure prediction for the human proteome”。该论文提供了构成人类蛋白质组的蛋白质的最完整图片，并发布了来自另外20种对生物研究很重要的有机体的蛋白质结构图片。同时（7月22日），DeepMind宣布与欧洲分子生物学实验室（EMBL）合作，为人类蛋白质组的预测蛋白质结构模型建立迄今为止最完整、最精确的数据库。这将涵盖人类基因组所表达的全部约20000种蛋白质，并且这些数据将免费向科学界公开提供。《Science》发表的新闻评论指出，随着RoseTTAFold和AlphaFold2源代码的公布，研究人员可以在两者的基础上继续前进，有望对人工智能系统做出进一步改进，攻克目前人工智能系统尚且无法确定构象的蛋白，以及使用这些软件设计全新的蛋白。随着解析蛋白结构的工具的快速发展，相信结合了强大计算力和算法的新一代人工智能技术也将对时下主流的冷冻电镜技术产生长远影响。冷冻电镜采购详情2021年6月，山东大学冷冻电镜中心建设项目单一来源成交，采购总金额约1.02亿元，主要采购内容包括300kV冷冻透射电子显微镜2套（Krios G4）、100kV冷冻电镜1套（Tundra）、冷冻双束电镜1套（Aquilos 2），赛默飞再次成为赢家。据悉，水木未来（北京）科技有限公司上半年配置了其第二套300kV冷冻电镜Titan Krios（G4），成为拥有2套300kV冷冻电镜的商业平台。（此项目没有公开中标信息，文中数据未统计在列）详情见下表，表中也列举了部分公布了采购意向且未完成的项目（预算约2.5亿元），以及上半年部分冷冻电镜配套设施或服务采购中标数据，以飨读者。球差电镜篇：日本电子7月份中标3套！2021年1-6月，污染控制与资源化研究国家重点实验室和化学与精细化工广东省实验室（汕头实验室）分别采购1套球差校正电镜，中标品牌看，日立科学仪器中标1套（型号HF5000），另一套品牌未知。目前，采购高峰期的下半年已揭开序幕，据统计，仅7月份内，已经有三家单位采购了3套球差校正电镜，值得关注的是，3套球差电镜均由日本电子中标，日本电子高端电镜展现不俗表现，中标型号分别为JEM ARM200F一套，JEM-ARM300F2两套。同时，在截止目前公示的下半年采购意向中，包含了多项球差校正电镜明确采购意向，相关采购预算接近2亿元，预计采购时间主要集中在8-9月。了解全球主流球差/冷冻电镜相关产品信息请点击：透射电子 显 微镜 （透 射 电镜、 TEM） 专场

酵母细胞冷冻断面SEM 图像 SEM: SU8020 FE-SEM, Cryo-SEM 冷冻系统, PP3000T (Quorum) 利用Cryo-SEM冷冻系统可以快速得到芽殖酵母细胞的断面。在SEM下可观测细胞的内部及表面构造。PF, 芽殖酵母EF, 裂殖酵母 芽殖酵母细胞表面冷冻SEM 图像 SEM: SU8020 FESEM, Cryo-SEM冷冻系统, PP3000T (Quorum) 上图中可清晰观测到芽殖酵母细胞表面的内褶和膜蛋白，同时可发现膜蛋白在表面按一定规则分布排列。(表面内褶是芽殖角酵母的独有特征。) CMI, 细胞膜内褶芽殖酵母细胞内部断裂冷冻SEM 图像 SEM: SU8020 FESEM, Cryo-SEM冷冻系统, PP3000T (Quorum) 研究了冷冻芽殖酵母细胞的随机断面，左图中可清晰地观测到细胞壁，细胞膜及细胞器。 右图中，细胞核的三维结构可在断裂细胞内观测到，同时外部(＊) / 内部 (#)核膜及核膜孔也清晰可见。　CM, 细胞膜 CW, 细胞壁 ER, 内质网 M, 线粒体 N, 细胞核 NP, 核膜孔 脂质体混悬液冷冻断裂SEM图像SEM: SU8020 FESEM, Cryo-SEM 冷冻系统, PP3000T (Quorum) 利用Cryo-SEM冷冻系统可快速冷冻脂质体并观察其断面。上图中可观测到脂质体表面及内部构造。 该产品更多信息请关注: http://www.instrument.com.cn/netshow/SH102446/C138508.htm 关于日立高新技术公司: 　　日立高新技术公司是一家全球雇员超过10,000人，有百余处经营网点的跨国公司。企业发展目标是“成为独步全球的高新技术和解决方案提供商”，即兼有掌握最先进技术水准的开发、设计、制造能力和满足企业不同需求的解决方案提供商身份的综合性高新技术公司。日立高新技术公司的生命科学系统本部，通过提供高端的科学仪器，提高了分析技术和工作效率，有力推进了生命科学领域的研究开发。我们衷心地希望通过所有的努力，为实现人类光明的未来贡献力量。　　更多信息请关注日立高新技术公司网站：http://www.hitachi-hitec.cn/

冷冻电镜已成为解析生物大分子结构的最主要技术之一。在冷冻电镜密度图的质量评估中，一个关键的指标是分辨率，即可以通过一致性测试的最精细结构细节的大小。由于样品异质性和辐射损伤等因素的影响，冷冻电镜密度图在不同区域的分辨率是可以不同的；因此，研究者因此引入了局部分辨率的概念。快速、准确、有效地评估冷冻电镜密度图的局部分辨率可以为三维重构和下游结构分析提供指导。目前可用的局部分辨率估计方法存在一些限制，比如需要人工进行参数调整、耗时较长，以及在某些情况下需要以半折密度图 （half map） 作为输入，无法对单个密度图估计局部分辨率等 。 近日，清华大学生命科学学院/北京生物结构前沿研究中心张强锋课题组在Journal of Molecular Biology期刊发表题为： CryoRes: Local Resolution Estimation of Cryo-EM Density Maps by Deep Learning 的研究论文。在该研究中，他们开发了一个基于深度学习框架的人工智能算法——CryoRes，可以直接从单个冷冻电镜密度图中估计出局部分辨率。 CryoRes建立在残差3D U-Net的架构之上，可以在端到端的预测框架下执行精确的局部分辨率估计。通过在1174个实验获得的冷冻电镜密度图数据上进行监督式训练，CryoRes学习到了密度图体像素特征与分辨率之间的关系，从而实现了无需额外输入直接进行局部分辨率的估计。 相对于目前广为使用的基于FSC的方法blocres，CryoRes局部分辨率估计的平均均方根误差为2.26Å，显著优于当前最先进的分辨率估计方法。此外，CryoRes还能够为每个密度图生成大分子表面，其精度比ResMap估计的大分子表面的准确率高12.12%。此外，相较于其他方法，CryoRes克服了一些限制，例如需要输入half map或大分子表面的信息，实现了全自动、无参数、超快速的局部分辨率估计。 另外，CryoRes也适用于冷冻电子断层图数据的局部分辨率估计。CryoRes可在https://cryores.zhanglab.net 上免费使用。图：CryoRes框架 清华大学生命科学学院/北京生物结构前沿研究中心张强锋副教授和清华大学生命科学学院博士后徐魁为论文通讯作者，清华大学生命科学学院2021级博士生代沐芷为论文第一作者，2018级博士生董卓尔为该工作做出了重要贡献。另外，清华大学生命科学学院/北京生物结构前沿研究中心闫创业副教授和2021级博士生孔方也为该工作提供了宝贵的意见和帮助。本工作得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金、清华-北京生命科学中心博士后基金、北京生物结构前沿研究中心、清华-北大生命科学联合中心、上海期智研究院的支持。 论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmb.2023.168059

7月4日，清华大学-北京大学生命科学联合中心青山湖平台挂牌暨2022年暑期学校启动及水木未来冷冻电镜项目投用仪式在青山湖科技城举行。清华大学校长助理、清华大学-北京大学生命科学联合中心主任王宏伟，西湖大学校长助理王廷亮，北京大学生命科学学院副院长、教授高宁，清华大学生命科学学院副院长欧光朔，杭州城西科创大走廊党工委委员、管委会副主任施黄凯，临安区领导杨泽伟、陈立群、蔡萌、裘凯，以及临安区有关部门、清华大学、北京大学、浙江大学等高校师生参加活动。活动现场青山湖科技城是浙江建设科技强省和创新型省份的重大工程，也是杭州城西科创大走廊的重要一极。自成立之初起，青山湖科技城就高度重视科技创新，集聚了36家科研院所，拥有众多共享仪器设备和研发平台；近年来，更是聚焦高端装备制造、未来微电子、新材料等领域，打造成为城西科创大走廊“硬科技”创新策源地。水木未来冷冻电镜项目投用仪式在杭州市临安区政府推动下，水木未来“全球冷冻电镜与人工智能药物创新中心”设立于青山湖科技城，旨在建立全球最大的冷冻电镜平台和生物大分子高精度结构数据库，面向全球科研机构和创新药企提供服务和创新疗法共同开发；与清华大学和国内外顶级科研机构合作，提升基础科研水平，整合基础研究、技术开发和成果转化，打造全球化结构与AI药物创新发现基地。水木未来源自清华，是一家基于冷冻电镜和AI的精准创新药和疗法研发企业，拥有亚太区第一个商业化冷冻电镜服务平台，在小分子、抗体药、RNA药物、蛋白降解、基因治疗等领域，助力全球创新药企药物研发。经过一年的紧张筹备，水木未来“全球冷冻电镜与人工智能药物创新中心”在青山湖科技城投用。参观水木未来冷冻电镜实验室目前，6台300kV高配电镜已就位，结合自主研发的AI驱动的新一代电镜结构解析和建模软件平台、GraFuture™ 石墨烯载网冷冻制样技术，水木未来青山湖基地在推动冷冻电镜效率、分辨率和产业化方面，又向前迈出一大步。据青山湖科技城管委会相关负责人介绍，该项目的投用，将有力提升科技城乃至临安、城西科创大走廊的生物医药创新研发水平，并加快生物医疗领域产业集聚，助力城西科创大走廊打造生命健康产业创新策源地，以“结构+计算”助力加速全球创新药物发现。会议期间，与会人员参观了水木未来冷冻电镜项目实验室、青山湖科技城规划展览馆，并举行了政校深化合作座谈。笔者注：据了解，此次在青山湖科技城投用的水木未来冷冻电镜研发平台，规划了20台高规格300KV冷冻电镜，不久的未来还将引入用于原位高分辨解析的新型高端电镜。水木未来“全球冷冻电镜与人工智能药物创新中心”一期正在装机6台300KV新型高端冷冻电镜、2台200KV冷冻电镜，旨在建立全球最大的冷冻电镜平台和生物大分子高精度结构数据库，推动新一代AI精准化药物和疗法的源头创新。据悉，电镜平台综合实验室由上海音宁电子科技有限公司设计施工一体化建设。有关负责人透露，全球已有多家顶尖实验室表达合作意愿。

p　　精确认识细胞当中的大分子结构对于理解它们的功能至关重要。Amunts等人利用冷冻电镜获得线粒体核糖体大亚基3.2埃的分辨率结构，还有最近利用冷冻电镜获取的其他一些高分辨率结构，这些成就预示着分子生物学研究的新时代，获取近原子分辨率的大分子结构将不再是X射线晶体学和核磁共振的特权。/pp style="text-align: center "img alt="" src="http://img1.17img.cn/17img/old/NewsImags/images/2014912171159.jpg" style="width: 600px height: 350px "//pp　　图：利用冷冻电镜获得的近原子分辨率结构：(A)酵母线粒体核糖体大亚基，分辨率3.2 埃。(B) TRPV1离子通道，分辨率3.4 埃。(C)Fsub420/sub-还原[NiFe]氢化酶，分辨率3.36埃。注：该图并不是按比例绘制的。/pp　　核糖体是古老的，大规模的蛋白RNA复合物，它将线性遗传密码翻译成三维蛋白质。线粒体——半自主细胞器，为细胞提供能量，拥有它们自己的核糖体，这一点和细菌非常类似。许多抗生素，如红霉素，通过阻止细菌的核糖体翻译机器来抑制细菌的生长。当设计新的抗生素，不能让他们同时阻断线粒体核糖体很重要。因此，认识这两种核糖体的详细结构是很有价值的。其他核糖体的结构已经通过X射线晶体学确定。Amunts等利用冷冻电镜确定了线粒体核糖体的高分辨率结构，这在不到一年前，很少有人会想到可能实现。/pp　　不用晶体而能够做到这一点无异于是一场革命。主要是因为采用了新的探测器——具有前所未有的速度和灵敏度的直接电子探测器。直接电子探测器能够直接检测电子，而不是需要先将它们转换成光子，然后再转化为光电子探测进行，目前广泛使用的CCD(电荷耦合器件)相机就是这样，但它们的分辨率不是很好。照相胶片从工作原理上来说，高分辨率成像效果应该更好，但它很难和越来越重要的快速读出电子速度及高数据吞吐量相兼容。/pp　　大约10年前，Henderson和Faruqi意识到，应该有可能设计出一种结合了CCD相机和胶片优点的直接探测电子的传感器。他们和两个竞争团队研发的探测器，采用了和大多数手机中的摄像头芯片基本相同的有源像素传感器技术。然而，手机的芯片不能用于电子显微镜，因为强烈的电子束会瞬间破坏它们。因此，首先探测器必须能够抗辐射。第二，探测器所需的像素要大很多，以防止富含能量的电子一次激发多个像素。第三，摄像头采用的芯片必须非常薄，完成每次读出电子160万像素，否则电子散射将会使图像模糊并降低分辨率。目前传感器的厚度大约是一张纸厚度的一半。/pp　　冷冻电镜只需要少量的样品，因此那些无法分离得到大量样品，利用X射线晶体学方法进行分析的物质，现在可以利用冷冻电镜得到高分辨率结构。这同样适用于不容易结晶的非均相样品或柔性复合物，因为不同颗粒或构象的物质的冷冻电镜图像在图像处理阶段很容易分离开。/pp　　新的检测器提供了另一种决定性的优势：当电子束撞击薄的、不支持冷冻的样品时，它们的快速读出能够补偿小的不可避免地移动。在新的相机问世前，由于电子束诱导移动引起的模糊是一个看似不可逾越的问题。现在，通过快速连续拍摄，可以得到一个区域的数十张图像，并且电子束诱导移动被检测到并反转在电脑上。这种去除模糊的影响戏剧性的和天文学哈勃望远镜相类似，尽管在这两种情况下引起模糊的原因是不同的。/pp　　新的相机也促使了低温电子断层扫描成像的重大突破，低温电子断层扫描能够得到全细胞、细胞片、或细胞区室的三维图像，如线粒体。利用断层成像识别分子特征，采用标准CCD相机甚至已达到亚纳米细节，新的探测器问世也必然给断层成像研究带来巨大的变化。/pp　　在新相机问世的同时，强大的极大似然图像处理程序也被开发出来。这些程序定义可靠客观的标准，来对几万或几十万个的单粒子图像进行平均处理，为的是要实现高分辨率。先进的检测器和软件相结合，获取的冷冻电镜结构，在相同的标称分辨率下，其清晰度和map definition比采用X射线晶体学解析的结构要好，因为在冷冻电镜图像中包含着高质量的相位信息。/pp　　冷冻电镜的分辨率革命是否意味着X射线蛋白质晶体学时代即将结束?当然不是。在可预见的将来，分子量小于100kD的小蛋白，分辨率达到2 Å 或更好将依然是X射线晶体学的领域。但是对于大的，易碎的，或者柔性结构蛋白(如膜蛋白复合物)，它们很难形成晶体，但却在生物医学中起着关键的作用，新技术将对此带来重大突破。在未来，对分子量大、已知的蛋白复合物，如核糖体，进行结晶将可能不再是必要的。相反，它们的结构可以从容并迅速的通过冷冻电镜来确定。这真是激动人心的时刻。（编译：秦丽娟）/pp 原文检索：a href="http://www.sciencemag.org/content/343/6178/1443.short"http://www.sciencemag.org/content/343/6178/1443.short/a/p

细胞里面的生命活动井然有序，每一个部分都有其特定的结构，承担不同的功能。生物大分子则是一切生命活动的最终执行者，它们主要是核酸和蛋白。核酸携带了生命体的遗传信息，而蛋白是生命活动的主要执行者。自现代分子生物学诞生以来的半个世纪里，解析和分析生物大分子的结构、进而阐释其功能机制一直都是现代生命科学的核心问题之一。　　事实上，一切自然科学都涉及物质结构及结构间的相互作用为核心的研究方向，天文学研究宇宙、星体等的结构及其相互作用，粒子物理研究物质世界的基本粒子的结构和相互作用，甚至包括应用性很强的材料科学都是以研究新型材料的结构和性质等为核心。结构生物学研究的直接目的是弄清楚生命大分子结构，从而更好地理解生命，理解这个自然界中“逆热力学第二定律”而诞生的奇迹 最终目标是公众通常关心的实用价值。　　像数学物理公式不会直接造出飞机、导弹、计算机一样，蛋白质结构这样的基础研究不会直接转化为人们生产生活的必须物品。比较具体的应用，如药物设计、疫苗开发、医疗诊断和蛋白质分子性能改造(如科学实验或工业生产中酶活性稳定性优化)等是蛋白质结构研究比较容易被大众所理解的一个方向，但却只是其研究价值的一个侧面而已。　　蛋白质结构如同生命科学里的数学公式和物理定律，甚至在以后会充当生命科学里面的“化学元素周期表”，除了帮助发现或设计新药等，它更重要的价值是作为最基础最上游的研究之一，通过影响一切与其密切相关的下游科学和技术，从而改变我们的世界。　　结构生物学最早诞生于上个世纪中叶，它是一门通过研究生物大分子的结构与运动来阐明生命现象的学科，在其发展史上有两个里程碑式的事件，一个是 DNA双螺旋结构的发现，另一个肌红蛋白(Myglobin)晶体结构的解析，这两个事件都是上个世纪最重要的革命性科学进展，均在剑桥MRC分子生物学实验室完成，并且都于1962年获得了诺贝尔奖(一个生理学或医学奖，一个化学奖)。同时它们都是最早使用X射线的方法来解析生物大分子结构，而这个方法在过去半个世纪里，一直占据结构生物学的统治地位。　　在当今结构生物学研究中普遍使用的冷冻电镜，是上个世纪七八十年代开始出现、近两年飞速发展的革命性技术，它可以快速、简易、高效、高分辨率解析高度复杂的超大生物分子结构(主要是蛋白质和核酸)，在很大程度上取代并且大大超越了传统的X射线晶体学方法。　　革命性的冷冻电镜技术　　冷冻电镜并不是这两年才建立的。在蛋白质X射线晶体学诞生大约10多年以后的1968年， 作为里程碑式的电镜三维重构方法，同样在剑桥MRC 分子生物学实验室诞生，Aron Klug教授因此获得了1982年的诺贝尔化学奖。另一些突破性的技术在上世纪70年代和80年代中叶诞生，主要是冷冻成像和蛋白快速冷冻技术。这里面的代表科学家有Ken Taylor, Robert Glaeser和Jacques Dubochet等。　　快速冷冻可以使蛋白质和所在的水溶液环境迅速从溶液态转变为玻璃态，玻璃态能使蛋白质结构保持其天然结构状态，如果以缓慢温和的方式冷冻，这个过程会形成晶体冰，生物分子的结构将被晶格力彻底损坏。低剂量冷冻成像能够保存样品的高分辨率结构信息，确保了从电镜图形中解析蛋白质结构的可能性。与此同时Joachim Frank等则在电镜图像处理算法方面奠定和发展了这项技术的理论基础。由此冷冻电镜的雏形基本建立，总的思路为：　　1)样品冷冻(保持蛋白溶液态结构) 　　2)冷冻成像(获取二维投影图像) 　　3)三维重构(从二维图像通过计算得到三维密度图)。　　该方法为生物大分子结构研究提供了一个和X射线晶体学完全不一样的、全新的思路。但是由于技术方法的瓶颈，在此后30多年的时间里只能做一些相对低分辨率的结构解析工作，在分辨率上一直不能和X射线晶体学比较，甚至一度被嘲笑为”blob-ology“(英文讽刺语，“一坨轮廓的技术”)。冷冻电镜三维重构得到的电子云密度图和原子模型(局部)。张凯供图　　但对于冷冻电镜来说，技术难点远非单纯冷冻。冷冻成像和图像处理算法一直都是瓶颈。从冷冻电镜技术诞生以来的近30年时间里，其一直都有进展，只是相对比较缓慢。　　最重要的革命性事件大约发生在两三年前：一个是直接电子探测器的发明，另一个是高分辨率图像处理算法的改进。MRC分子生物学实验室的两位科学家Richard Henderson和Sjors Scheres在这次革命中起了关键作用(作者注：现代科技革命往往是诸多研究机构若干团队共同参与，此处仅列举关键代表，并且仅从技术角度讨论，不涉及生物学应用)。　　Richard Henderson是探测器方面的先驱，而Sjors Scheres则因他设计的Relion程序而名声大噪，他们由此当选为《自然》杂志2014年“十大科学进展年度人物”。两位科学家一个从硬件，一个从软件将冷冻电镜技术推向了巅峰，将冷冻电镜技术的分辨率推向了新高度。(作者注: Henderson教授的贡献远非探测器一个方面，包括冷冻电镜理论基础、算法、软件，重要生物大分子应用，如曾首次解析视紫红质跨膜螺旋等等方面 早在20多年前，他就通过一系列理论分析，预言了冷冻电镜研究的尺度、分辨率极限、技术瓶颈等等，并且断言：冷冻电镜将超越其它一切技术方法，成为蛋白质结构研究的主导工具，如今这些预言全部应验。)　　和此前使用的CCD相比，新发展的直接电子探测器不仅在电镜图形质量上有了质的飞跃，同时在速度上大幅提高，还可以以电影的形式快速记录电镜图像。这些特性同时也伴随着电镜图像处理方面的重大变革，电镜技术此前在分辨率上的一个主要瓶颈是电子束击打生物样品造成的图像漂移和辐射损伤。有了快速电影记录，我们就可以追踪图像漂移轨迹而对图像做运动矫正和辐射损伤矫正，大大提高数据质量。　　尽管如此，电镜图像处理一直都是一项极具挑战性的任务，主要的问题是冷冻电镜的图像噪音极高、信号极低，而我们的目标是从中提取近原子分辨率的结构信息，这就像在一个机器轰鸣的工厂里监测一只蚂蚁爬行的声音。冷冻电镜科学家就是要完成这项艰巨的任务，并且真的做到了。有了硬件和软件方面的双重提高，冷冻电镜的分辨率目前已得到了极大的提高，可以和晶体学相媲美 并且在其它方面已经大大超越了晶体学。　　主要体现在下面几个方面：　　第一，不需要结晶，研究对象范围大大扩展，研究速度大大提高。对于小分子，比方说无机盐矿物质等自发就能长出晶体，小而且稳定的蛋白质目前来说结晶并不困难，但是这类意义重大的蛋白几乎都已经解析完了，在科学上没有任何重大意义 当今时代，小蛋白已经完全不能满足科学家们强烈的探索欲望，结构生物学研究的对象越来越大，体系越来越复杂，结晶几乎成为不可能的事情，即使能结晶，也不一定衍射，有衍射也不一定能得到原子分辨率结构。　　很多年前，许多蛋白质晶体科学家为了完成一项艰巨的任务，一个课题少则5到10年，多则20年，核糖体从上世纪80年代初首次长出晶体到 2000年左右最终拿到原子分辨率结构整整经历了20年 线粒体呼吸链复合物I从上世纪90年代初研究，第一次报道完整晶体结构大约是20年以后。　　而冷冻电镜方法跳过超大分子复合物结晶难的这层技术屏障，以直接解析复合物的溶液状态的结构为目标。　　现在利用这项技术，在MRC-LMB一周时间就可以解析一个新的核糖体结构 英国皇家学会主席、MRC-LMB结构中心主任 Venki Ramakrishnan 教授，因为核糖体的晶体结构研究而获得2009年诺贝尔化学奖。他的实验室在2014年发表了最后一篇晶体结构文章，此后的文章全部以冷冻电镜为主。哥伦比亚大学有一个非常执着的博士后，研究兰尼碱受体(Ryanodine Receptor)晶体结构长达十年之久，最后放弃了晶体，转向了冷冻电镜技术，同时与清华大学教授颜宁和LMB的Scheres研究组合作，几个月就解决了这个难题，并且达到近原子分辨率。　　第二，样品需求量小，样品制备快，可重复性高。重要生物样品都是非常珍贵的，总体来说是以微克或者最多以毫克来计量，即使得到这点样品，也要花费生物学家几周、几个月甚至更长的时间(大多数时候都需要摸索各种条件使样品处于相对稳定的状态，以便做进一步结构研究)。　　蛋白质晶体一般要求高浓度大体积，没有量变就没有质变。而同样量的蛋白可以稀释以后制备若干冷冻电镜样品，每个样品有成百上千的区域，每个区域有几百个小孔，每一个小孔甚至可以收集多张照片。解析一般蛋白的原子结构需要几万个颗粒，而对于高对称性的样品几千个颗粒就足够。　　第三，可以研究天然的、动态的结构。X射线晶体学研究生物大分子结构的一个主要弱点是无法拿到天然的动态的结构，这是因为研究人员无论如何也无法绕开结晶这个过程。冷冻电镜就是要做这件事情：直接解析天然的、溶液态的、动态的(dynamic)，甚至原位(in situ)的结构，从而理解生命分子如何在空间和时间两个尺度上以活的动态的方式发挥功能。　　晶体学只能尝试不同的条件获得生物大分子某个或者某些固定的状态，而且容易出现晶体堆积引起的不真实相互作用方式。形象地说，冷冻电镜可以制作完整的高清电影，晶体学只能从电影里截屏。　　第四，技术革命还将开启巨大的潜在医疗价值。冷冻电镜技术方法在时间和精度方面的大幅度提高有时会导致不可预测的重大科学和应用价值。比如，活体病毒结构分析如果可以在分钟级别完成，这将有可能转化为潜在的医疗检测手段：从病人体内抽取血样或感染组织细胞，几分钟以后，非常清晰明了地展现病人在细胞内部结构层面的异常状况，甚至给出局部的原子结构图，从而给出精准的治疗方案。这个想法现在可能听起来有点像笑话，或许再过若干年人们就不这样认为了。　　当然冷冻电镜的革命性不仅仅体现在上述四方面，在此就不一一列举。有关冷冻电镜更加详细的介绍，可参见笔者等2010年的中文综述(《生物物理学报》，2010年7月，第26卷，第7期: 533-559)。文章中对未来几年的发展趋势所做的展望，如直接电子探测器的普及、非对称性蛋白复合物近原子分辨率结构解析、冷冻电镜相关计算性能的大规模提升等等，目前绝大多数都在过去的两三年内得以实现并飞速发展。　　华人学者在冷冻电镜领域的贡献　　在冷冻电镜的这场技术革命中，华人科学家功不可没，在某些方面甚至独领风骚，做出了诸多重大成果。　　加州大学旧金山分校(UCSF)的华人科学家程亦凡教授在2013年底，首次利用冷冻电镜技术解析近原子分辨率膜蛋白结构，这项成果在业界引起了巨大轰动。原因在于当所有电镜结构生物学家还在讨论膜蛋白到底能不能利用冷冻电镜技术看到二级结构，也是通常我们认为的中等分辨率水平的时候，程亦凡教授研究组直接解析了TRPV1 这个膜蛋白3.3埃近原子分辨率的结构(Nature，504：107–112)。　　笔者曾在该文章发表的半年前在一次国际会议上和冷冻电镜领域顶级学者深入讨论过如何获得清晰的膜蛋白α -螺旋结构，对方给出了悲观的结论：“恐怕不太可能，至少最近两年不可能”。　　事实上，此前蛋白质晶体学家已经有所耳闻“冷冻电镜可能在未来几年会超越并且取代晶体学”，但是谁也没想到会是以这样快速和震撼的方式登场，这在某种程度上引发了不少蛋白质晶体学家的“职业恐慌感”。这项成果的两个共同第一作者廖茂福、曹尔虎也都是非常杰出的青年华人科学家。　　加州大学洛杉矶分校的周正洪教授早在2008年到2010年左右，在这场电镜技术革命来临之前，在各项技术条件尚未成熟的情况下解析了一系列近原子分辨率病毒结构。当时采用的是传统胶片来成像，任务非常艰巨，连他还在上学的儿子也都帮忙一起洗胶片。张兴博士在这一系列稍早的重要成果中充当了先锋。早在2008年，第一个近原子分辨率的冷冻结构，也即3.8埃轮状病毒就是张兴博士作为第一作者完成的(PNAS, 105(6): 1867-1872)。从1968年Aaron Klug创立电镜三维重构理论，到2008年人们首次看到通过冷冻电镜获得近原子分辨率结构，整整用了40年。　　在国内，清华大学的隋森芳院士是我国冷冻电镜领域的先驱，不仅德高望重，还培养了一大批优秀的青年科学家，包括清华大学的王宏伟教授以及 MRC-LMB的白晓晨和畅磊福博士等等。王宏伟早年在隋老师实验室做研究生的时候，在我国研究设备和条件全面落后于国外的情况下依旧做出了许多非常出色的工作。　　MRC-LMB的多位青年华人研究人员对冷冻电镜发展都做出了重要贡献。白晓晨博士在MRC-LMB首次使用直接电子探测设备Falcon I 和Sjors Scheres博士的新程序Relion，获得了第一个不对称样品核糖体的近原子分辨率冷冻电镜结构，打响了冷冻电镜革命的第一枪，随后解析了一系列核糖体和蛋白复合物结构。畅磊福博士在LMB首次获得非核糖体不对称蛋白样品APC复合物的近原子分辨率结构，阐明了蛋白质泛素化的重要机理。笔者主要在LMB的Andrew Carter博士实验室从事动力蛋白结构和功能研究，并成功解析动力蛋白激活因子Dynactin结构，提出了目前为止动力蛋白最详尽可靠的运动和激活机制(Science, 347(6229):1441-1446. 封面文章)，同时独立发展冷冻电镜技术方法。　　1953年4月25日，MRC沃森和克里克在《自然》杂志发表DNA双螺旋结构，61年后的同一天，我国科学家、中科院生物物理研究所的朱平和李国红研究员在《科学》杂志以长文形式发表了30nm染色质冷冻电镜结构(DNA双螺旋之双螺旋)(Science , 344(6182): 376-380)。这项工作是冷冻电镜在核心生命科学问题中的成功应用，冷冻电镜部分的工作主要是笔者在生物物理所的同学宋峰博士完成的。　　生物物理所的程凌鹏博士(当前单位为清华大学)获得国内本土第一个原子分辨率的冷冻电镜结构，构建了蚕多角体病毒(CPV)的完整三维原子模型(PNAS，108(4)：1373-1378)。笔者也参与了部分工作, 被其高质量、干净的电子密度图震撼。近期程凌鹏与刘红荣博士合作，在国际上首次发表了CPV完整基因组和RNA聚合酶“原位三维结构” (Science, 2015, 349(6254):1347-50), 引起了很大轰动，这项成果是我国本土冷冻电镜技术和生物学应用的双重突破，被多名同行科学家称赞为”里程牌式发现“。　　我国著名科学家施一公最近发表了一系列重大蛋白复合物的冷冻电镜结构，包括γ -secretase、spliceosome等，被誉为过去几十年我国科学家对基础生物学领域的最大贡献。　　另外，在欧美和中国本土还有一大批华人学者在冷冻电镜或密切相关领域(cryoET等)做出诸多突破性成果，例如匹兹堡大学的张佩君教授(艾滋病毒结构研究)，德克萨斯大学的刘俊教授(细菌运动，噬菌体结构等研究)等，由于时间和篇幅问题，无法一一介绍。　　冷冻电镜的未来展望　　冷冻电镜技术目前仍然在快速发展中，未来冷冻电镜能做什么取决于这项技术能发展到什么程度。现代科学技术革命的一个最大特点是发展速度极其迅速，谁也不知道明天会发生什么，当然也不能十分准确的预知一个领域的发展方向。即便如此，笔者还是对这个领域有一些预测或期待(仅技术角度，不涉及具体生物学研究)。　　1)超大规模、超快速度数据采集和处理。和晶体学相比，冷冻电镜的效率在某些方面已经异常惊人。比如笔者近期与牛津大学王祥喜博士合作，在几个小时以内就可以拿到完整甲肝病毒原子结构，而此前王祥喜博士花费近一年时间结晶才最终拿到原子结构。但是科学技术发展是永无止境的̷̷　　但目前来说，结构生物学的巨大转型必须建立在速度和效率的双重前提下。这需要硬件、软件以及其它交叉学科等多方面的共同发展。　　除了生物学研究应用，笔者一直致力于冷冻电镜技术的发展，最近在提高电镜数据处理结果可靠性和分辨率前提下，上千倍地提高了其中几个环节，过去几百到上千CPU小时的事情，现在几分钟到几十分钟就完成了。但是这只是部分环节，在其它方面依旧非常耗时，整个技术的各个环节如何全面高效高速地完成还需要更多的优秀人才参与。对硬件的发展方面笔者并不是很熟悉，预计在未来会出现超高速度的电子显微镜，大幅度提高电镜原始数据的数量和质量。　　2)大尺度、高分辨率、高动态的生物大分子结构解析。理论上，冷冻电镜可像高清数码摄像机拍电影一样对生物大分子成像和重现其动态结构，研究深层机理。就目前而言，这一方面在技术上远未成熟。大尺度、高分辨率、高动态这几点拆解开来，每一个都不算太难，但是同时满足这几项需求几乎成为不可能的事情。但是这是未来结构生物学的方向，我们不仅仅要看简单的几张静态照片，我们还想看高清电影。　　关于这一点，笔者需要强调一下结构生物学和动力学模拟的区别。结构生物学的动态结构目的是以实验手段完整复原自然状态的动态结构，理解其中机理，是从实验数据出发“重现大自然原貌”的过程，是完完全全可靠的实验结果。而动力学模拟是从已有的理论或经验性的物理学规律出发预测一个生物大分子的动态特性，存在巨大的不确定性，其结果可靠性较差。期待在未来的某个时刻，两者会像上个世纪的理论物理和实验物理一样完美地结合，相互促进。　　大尺度复杂生物系统的高分辨率、动态机理研究涉及诸多学科，不是冷冻电镜一项技术就可以完成的，需要多学科科学家共同参与完成。　　3)高分辨单分子及原位结构研究。目前的结构生物学，无论晶体学、冷冻电镜还是核磁共振主要还是在研究“群体”结构。冷冻电镜相对晶体学在这一方面已经有了大幅度提高，可以通过分类的方法研究群体结构中的每一类结构。但实际上每个分子在时间和空间上除了共性，也必然有特性，如果一种方法强大到可以测得单个分子的高分辨率结构，这必然导致巨大革命，使得人们发现许许多多在群体结构研究层次上无法发现也无法理解的大量规律。　　注意这里强调的是单分子“高分辨率”结构，而不仅仅是单分子结构。单分子结构我们目前可以使用比如冷冻断层成像(cryoET)的手段获得，但是分辨率非常低，在如此低分辨率情况下，别说个体差异，很多群体结构差异都值得严重质疑。或许冷冻电镜技术若干年以后会实现这个目标，或许永远都不可能，或许这个目标被另外一个全新的技术彻底取代，冷冻电镜从此退出历史舞台。　　冷冻电镜：一个高度交叉的学科　　冷冻电镜领域一直是多学科高度交叉和相互促进才诞生的一个奇迹。数学、物理、化学、材料、计算机、软件、机械及自动化、精密仪器仪表等等缺一不可，当然最终的核心是生命科学(作者注：此处仅从结构生物学角度分析，并非泛指一般意义上生命科学是一切学科的核心)。生命科学提出问题，其它所有学科相互结合产生更好的解决方案。通过这些解决方案，发现更多神秘的生命现象，从而提出新的问题，诞生新的技术。　　举个例子，冷冻电镜图像信噪比极低，没有科学家的雄心勃勃，没有大批信号分析、图像处理甚至数学家的参与是不可能完成这样艰巨的任务。同时冷冻电镜领域的一些发现或需求，也为其它领域的科学家提供灵感来源和新的研究思路。MRC-LMB作为现代分子生物学的发源地和近两年来飞速发展的冷冻电镜技术核心研究机构，其一大特点就是多学科“零距离交叉”。从半个世纪前的DNA双螺旋模型、肌红蛋白晶体结构等到近两年冷冻电镜技术革命，一直将这一理念体现得淋漓尽致。技术的发展和重大科学问题的解决几乎都是同时进行的，当然科学问题或应用价值始终是核心和最终驱动力，脱离科学和应用需求的技术发展是没有意义的。　　另外一个比较具体的例子是笔者此前思考过的一个问题。在电镜领域出现直接电子探测设备之后，MRC-LMB的两台高端电镜，每天产生5到10T 的数据量，近期正在调试第三台，也许不久的将来，超大数据、超快速度电镜就会投入生产，这些将会导致全世界各个研究机构普遍出现一个严重的技术问题，就是如何高效、无损、快速地进行数据压缩存储和数据处理，当然这里的无损是相对特定生物样品和特定目标分辨率而言。这或许会引起一些信号处理和图像压缩方面的研究人员的兴趣。　　随着冷冻电镜对生物大分子复合物高分辨率结构研究趋于成熟，更加复杂的动态机理研究是必然趋势，这是冷冻电镜技术发展的一个潜在可能性。但是复杂生物体系的深入研究需要解决一系列数学理论、物理、计算难题，有的可能甚至超出了这些学科目前的研究范畴。近些年比较现实可行的是通过冷冻电镜手段，对特定蛋白复合物非随机情况下的高分辨连续动态构象进行分析。笔者认为，专业数学家的参与会大大加速冷冻电镜技术在这些方面的发展。　　生命体高度复杂，充满很多未知的和未被阐述清楚的规律，这里面有成千上万的生物大分子复合物，每一个复合物又与其它若干分子或复合物相互作用、相互影响，深入再深入地理解生命本质一直都会是冷冻电镜的重要方向。冷冻电镜是强大的基础研究手段，它通过解析高度复杂的生物大分子结构，帮助人们更好地理解生命规律，从而影响生命科学相关的一切下游学科和技术，当然也包括更好的发现和设计药物、医疗诊断等具体应用。我们期待在不久的将来，冷冻电镜技术会对科学研究和社会发展等方方面面都产生巨大影响。

我国海洋领域首个冷冻电镜中心建成，目前已全面对外开放共享，为用户提供样品制备、数据解析等服务。冷冻电镜也称低温电子显微镜，是一种能够对生物样品实现高分辨三维结构解析的高精尖设备。“如果说天文望远镜观测的是极宏观的天体，那么冷冻电镜则是针对极微观的生物大分子，观测水平达到十分之一纳米（百亿分之一米）级别。” 海洋试点国家实验室冷冻电镜中心主任沈庆涛教授说，冷冻电镜技术目前还非常新颖，但已经在生物学领域产生了极大影响，被诺贝尔奖官方称为“使得生物化学进入一个新时代”的技术。自2013年开始，冷冻电镜成为诸多诺奖级论文成果的得力助手。海洋试点国家实验室建设的冷冻电镜中心，是山东省首个冷冻电镜中心，也是我国乃至全球首个聚焦海洋生命科学的冷冻电镜中心。“生命来源于海洋，但目前国内外对陆地生物的研究比海洋生物更全面更系统，冷冻电镜的工作也多集中在陆地模式生物上。” 沈庆涛介绍，针对生命科学回归海洋的趋势，充分发挥海洋试点国家实验室的“向海”特长，他们建立了海洋领域首个冷冻电镜中心，以海洋生物为研究目标，推动海洋生物学从宏观走向微观，从生态、细胞水平走向分子水平。为了保证冷冻电镜的高分辨率解析能力，海洋试点国家实验室同时配备了冷冻电镜中心环境适配系统。“冷冻电镜设施昂贵精密，对于每个样品通常需要花费2-3天拍摄成千上万张照片，提取近百万生物大分子颗粒进行后续的图像处理。” 沈庆涛表示，在此过程中，环境适配系统能够对温度、湿度、磁场、震动等因素进行控制并适配，从而保证冷冻电镜自始至终状态稳定。

p　　在深圳市的大力支持下，南方科技大学冷冻电镜实验室即将在南科大校园内落成，并投入使用。/pcenterimg alt="" src="http://www.sustc.edu.cn/upload/images/news/%E7%A7%91%E7%A0%94%E6%96%B0%E9%97%BB/1.gif" height="282" width="500"//centerp/pp　　2017年10月4日三位科学家因为开发并发展了冷冻电镜技术而获得诺贝尔化学奖。南科大在学校发展的战略布局上充分展现了前瞻性，早在2017年6月 10日，冷冻电镜项目就已正式立项，并邀请我国目前最优秀的青年结构生物学家之一杨茂君教授主持。“栽下一棵梧桐树，凤凰就来了”，南科大冷冻电镜实验室主任王培毅教授这样形容实验室对海内外人才强大的吸附力。自项目启动以来，实验室已吸引了来自海内外诸多青年才俊和重量级专家学者的加入。其中包括行业内唯一的中科院院士、我国最早使用冷冻电镜开展生物大分子研究工作的隋森芳院士。今年7月，2017年诺贝尔化学奖的三位得主之一、美国哥伦比亚大学 Joachim Frank教授将应我校陈十一校长邀请到访南科大，探讨开展进一步合作。/pcenterimg alt="" src="http://www.sustc.edu.cn/upload/images/news/%E7%A7%91%E7%A0%94%E6%96%B0%E9%97%BB/%E5%86%B7%E5%86%BB%E7%94%B5%E9%95%9C2%201.gif" height="282" width="500"//centerp/pp　　南方科技大学冷冻电镜实验室拟于今年年底正式挂牌成立，届时将同时举办国际研讨会，几乎所有在冷冻电镜方面的国际著名科学家都将出席，包括另一位2017年诺贝尔化学奖得主、剑桥大学MRC-LMB的Richard Henderson教授。/pp　　冷冻电镜技术改变了许多生物领域的研究方式，使得诸多研究能够快速取得重大突破。冷冻电镜技术已成为结构生物学研究的利器，这项技术克服了生物分子结构解析中的许多难点，被诺贝尔奖官方称为“使得生物化学进入一个新时代”。图像是我们理解一切事物的关键所在，将那些人眼不可见的物体成功地可视化，通常是科研产生突破的基础。 长久以来，人们认为电子显微镜只能用于非活性生物样品的成像，因为电子显微镜的高强度电子束会严重损伤生物样品，是冷冻电子显微技术改变了这一切。现在，研究人员可以将具有活性的生物大分子快速冷冻到液氮温度(-196度)，并在此温度下保持和转移，使样品最大限度保持原来形态。并将那些以前无法看见的生物变化的动态过程实现可视化——这对我们从原子尺度了解生命过程，以及研发药物带来决定性的影响。/pcenterimg alt="" src="http://www.sustc.edu.cn/upload/images/news/%E7%A7%91%E7%A0%94%E6%96%B0%E9%97%BB/%E5%86%B7%E5%86%BB%E7%94%B5%E9%95%9C3%201.gif" height="282" width="500"//centerp/pp　　南方科技大学冷冻电镜实验室拟安装300千伏冷冻电镜6台，200千伏冷冻电镜2台，120千伏电镜2台，共计10台冷冻透射电子显微镜及其它71台/套相关辅助仪器和样品制备设备，全部建成后，将是我国配套最齐全、最先进的冷冻电镜实验室。目前，两台300千伏冷冻电镜已完成安装，进入电镜性能综合调试阶段，预计将于8月开始试运行。一台120千伏电镜将于7月上旬投入使用。据悉，有关冷冻电镜的配置，我校前期作了大量调研工作，包括与实验室科学顾问委员会成员Richard Henderson教授进行了深入探讨，以保证每台冷冻电镜除了拥有一般共性之外，在配置上同时各具不同特性，以适应与支持南科大冷冻电镜实验室在接下来即将开展的一系列世界前沿性基础及应用研究。此外，实验室将积极开展多学科交叉研究，力争在冷冻电镜的软、硬件技术，设备和应用方面取得新的突破，克服冷冻电镜目前操作复杂、控制程序繁琐及应用成本较高的缺陷，实现冷冻电镜的常规应用。并与学校已经建成的X射线晶体学平台、生物质谱蛋白质组学分析平台形成互补，开展国际上最前沿的蛋白质科学研究，为结构生物学、细胞生物学、神经科学，化学、材料科学等领域搭建交叉学科平台。/pcenterimg alt="" src="http://www.sustc.edu.cn/upload/images/news/%E7%A7%91%E7%A0%94%E6%96%B0%E9%97%BB/%E5%86%B7%E5%86%BB%E7%94%B5%E9%95%9C4%201.gif" height="282" width="500"//centerp/pp　　地处粤港澳大湾区核心的深圳是一座新兴科技产业云集的城市，也被人们誉为中国最具有硅谷气质的城市。今年5月26日在深圳举行的“未来论坛X深圳峰会” 上，我校校长陈十一曾指出：和硅谷相比，深圳欠缺的还是基础研究能力，也包括应用基础研究，产业和研究的对接。南方科技大学建设的世界一流冷冻电镜实验室，旨在通过利用这一国际最先进的科学技术之一，大力发展基础科学研究，聚焦重大疾病诊断、新药开发、精准医疗、功能材料研发和基础学科建设等领域，促进深圳新材料、医疗卫生、健康产业和高等教育的发展。同时积极服务于国家战略需求，造福14亿中国人。/pcenterimg alt="" src="http://www.sustc.edu.cn/upload/images/news/%E7%A7%91%E7%A0%94%E6%96%B0%E9%97%BB/%E5%86%B7%E5%86%BB%E7%94%B5%E9%95%9C5%201.gif" height="282" width="500"//centerp/pp　　在新一轮科技革命和产业变革中，中国将创新作为引领发展的第一动力，把科技创新摆在国家发展全局的核心地位，大力实施创新驱动发展战略。在国家重大需求的牵引和顶层设计的指导下，利用冷冻电镜的技术优势，在核心技术和关键领域实现重大突破，对产业升级、经济转型发展产生巨大推力，正是南方科技大学冷冻电镜实验室建立的初衷和目标。/pp style="text-align: right "　　文字：任亦/pp style="text-align: right "　　视频制作：李艺松/pp style="text-align: right "　　摄像：蔡秉伦 黄立斌/p

冷冻干燥是利用升华的原理进行干燥的一种技术，是将被干燥的物质在低温下快速冻结,然后在适当的真空环境下,使冻结的水分子直接升华成为水蒸气逸出的过程. 冷冻干燥得到的产物称作冻干物，该过程称作冻干。 物质在干燥前始终处于低温(冻结状态),同时冰晶均匀分布于物质中,升华过程不会因脱水而发生浓缩现象,避免了由水蒸气产生泡沫、氧化等副作用。干燥物质呈干海绵多孔状，体积基本不变，极易溶于水而恢复原状。在最大程度上防止干燥物质的理化和生物学方面的变性。 冷冻干燥机原理简单易懂，但是在应用在具体行业里时，却也有着很多的区别。 近代干燥机开始使用的是间歇操作的固定床式干燥机。19世纪中叶，洞道式干燥机的使用，标志着干燥机由间歇操作向连续操作方向的发展。回转圆筒干燥机则较好地实现了颗粒物料的搅动，干燥能力和强度得以提高。一些行业则分别发展了适应本行业要求的连续操作干燥机，如纺织、造纸行业的滚筒干燥机。 20世纪初期，乳品生产开始应用喷雾干燥机，为大规模干燥液态物料提供了有力的工具。40年代开始，随着流化技术的发展，高强度、高生产率的沸腾床和气流式干燥机相继出现。而冷冻升华、辐射和介电式干燥机则为满足特殊要求提供了新的手段。60年代开始发展了远红外和微波干燥机。用于进行干燥操作的机械设备类型很多，根据操作压力可分为常压和减压（减压干燥机也称真空干燥机）。根据操作方法可分为间歇式和连续式。根据干燥介质可分为空气、烟道气或其他干燥介质。根据运动（物料移动和干燥介质流动）方式可分为并流，逆流和错流。 按操作压力，干燥机分为常压干燥机和真空干燥机两类，在真空下操作可降低空间的湿分蒸汽分压而加速干燥过程，且可降低湿分沸点和物料干燥温度，蒸汽不易外泄，所以，真空干燥机适用于干燥热敏性、易氧化、易爆和有毒物料以及湿分蒸汽需要回收的场合。 在具体应用中，如：海参冻干，机械冻干，药物冻干，食品冻干，都是应用着不同的类型的冻干设备。 简单的说，就是冻干所需要技术条件，科技条件。难度越大，要求越高，产品的成本自然也更高，价格也更高。 产品的捕水量，最低温度也是有区别的。具体的需求量，还是要看产品的要求。

基于结构的药物发现(Structure-based drug discovery, SBDD)是设计和优化创新药的必要方法。本篇综述将深入探讨冷冻电镜(cryo-EM)在SBDD领域中的快速崛起及它的主要作用，以及阐释它如何为高价值药理学靶点提供丰富的全新结构信息。冷冻电镜技术相比X射线晶体学的主要优势在于，它可以跳过繁琐的结晶步骤，从而直接对玻璃化的生物大分子进行成像；冷冻电镜也可以提供更多维度的信息，包括异质性和动态性。此外，本综述还将讨论冷冻电镜近期和未来的发展，并探讨该技术将在SBDD的管线中产生何种广泛的影响。冷冻电镜时代的SBDDSBDD是一种基于靶点的原子级结构基础信息，针对该靶点进行理性药物设计的研发方法。20世纪80年代，随着Captopril卡托普利和多佐胺Dorzolamide等酶靶向药物获批上市，SBDD方法初露锋芒。这一批由FDA批准的药物结合了晶体结构模型与计算机辅助分子建模这两大新兴技术，并成功解决了传统湿实验室的高通量筛选方法(HTS)所面临的昂贵、耗时及低回报率等问题。此后，随着计算技术的不断革新，大量药物靶点的晶体结构得以解析，SBDD方法进入了飞速发展阶段。从1999年到2013年，在113个获批的first-in-class药物中，有78个是基于SBDD方法发现的。尽管SBDD的发展足够迅速，但学界及制药行业内对它的期望显然更高。SBDD方法往往能另辟蹊径，对过往认为不可成药的靶点进行验证，并进一步开发新药。如K-Ras(G12C)靶点，它利用晶体学结构确定了一个以前未知的结合口袋，以避免与皮摩尔亲和力的GDP/GTP竞争。由于靶点验证是发现和开发工作中的主要难题之一，first-in-class药物分子可以为靶点的有效性和疾病应用提供新的见解，例如bromodomain溴结构域抑制剂(+)-JQ-1和I-BET762，这些化合物被成功用于表征和验证溴结构域在各种疾病中的重要性，并催生了大量的临床候选药物。即使是FDA批准的已知药物靶点，临床上也常常需要进一步的SBDD，比如有些药物需要进行更好的选择性的优化设计。厄菲替尼(erdafitinib)在经过针对性的设计改造后，表现出了相对于原先药物对成纤维生长因子受体更高的选择。此外，有一些药物可能需要优化效力或疗效，或提供特定受体亚型的选择性，如改善鞘氨醇-1-磷酸(S1P)抑制剂西波尼莫德(siponimod)对S1P1而非对S1P3的选择性，是提高其在疗效和安全性上优于非选择性S1P抑制剂的关键。该药物靶向S1P1，而非S1P3，此外，许多抗病毒、抗菌和抗癌药物正面临着抗药性问题，SBDD方法能够基于产生耐药性的靶点结构，对药物进行持续改进。SBDD工作的瓶颈在于获取高分辨率的生物靶点结构信息。虽然一些小而有序的生物分子满足X射线晶体学的研究范畴，但大部分已知靶点中的蛋白质，例如跨膜受体或动态复合物，都难以结晶，导致这些靶点蛋白无法利用晶体手段进行高分辨率结构解析。此外，X射线晶体学往往会对靶点蛋白进行改造，如进行截短体设计、引入热稳定性突变或插入一段外源的结构域，从而影响后续的SBDD结构信息分析。还需要考虑的一个关键因素是，大量的靶点蛋白性质上达不到结晶的条件要求。不过，上述的这些难点正被冷冻电镜技术逐一攻克。冷冻电镜技术的分辨率已足够高，其产生的大量数据也可用于计算辅助药物设计(CADD)方法，这也是本综述的核心议题。与X射线晶体学不同的是，冷冻电镜无需对目标靶点进行结晶：纯化过的靶点生物大分子会被瞬间冻结在一层薄薄的非结晶玻璃体冰中，再经由透射电镜成像以记录下几十万到几百万个冷冻电镜颗粒数据，用于重构三维静电势图并对大分子进行精确建模。因此，这种技术很适合于蛋白质复合物、热稳定性较低和动态运动较高的蛋白质以及脂质胶束中的跨膜蛋白质的结构测定。随着分辨率的不断提高，冷冻电镜已经成为药物设计的强大工具。冷冻电镜与药物发现在2014年之前，冷冻电镜几乎无法解析出优于4.0Å分辨率的结构，这直接导致它无法对SBDD工作提供有效的数据支持。然而，在过去的几年里，冷冻电镜方法的爆炸性突破产出了大量高分辨率的结构数据，这在以前是无法实现的。这一质的飞跃要归功于许多技术革新，如用于记录图像的直接电子探测器、改进的计算方法和处理大型数据集的硬件集群，这些技术的飞跃在其他文献内有详细回顾。此外，作为一种直接可视化的技术，冷冻电镜能够快速判断样品的聚集性和稳定性等问题，从而通过遗传和生物化学手段，用互作因子稳定蛋白、或通过优化去垢剂从细胞膜环境中提取膜蛋白等方法来快速改善样品质量。综合以上，在PDB中的分辨率为4.0Å或更高的冷冻电镜结构的数量已经从2014年之前的合计16个增长到仅2020年一年提交1753个新结构的规模(图1, A)。在新上传的结构中，分辨率高于4.0和3.5 Å的比例分别从2015年的36%和12%增加到2020年的75%和50%。更振奋人心的是，截止2020年，分辨率高于3.0Å和2.5Å的冷冻电镜结构比例，分别达到了18%和3%，实现了冷冻电镜结构解析前所未来的突破(图1, B)。为了系统评估冷冻电镜对SBDD领域的影响，我们(作者)调查了2018年美国200种最常用处方药的靶点相关结构数据。72%的靶点在PDB数据库中含有结构信息。细分而言，这些结构信息是通过X射线晶体学技术(42%)、冷冻电镜技术(15%)或两者结合(15%)而确定的(图1, C)。通过冷冻电镜技术解析的靶点涵盖了许多跨膜蛋白，如离子通道(GABAA、CaV、NaV和KATP)、激活态的G蛋白偶联受体(GPCRs)和转运体蛋白(5-羟色胺转运体、NaCl转运体)。图1.冷冻电镜分辨率的提高及其对蛋白质药物结构表征的贡献。(A) PDB中上传的低于特定分辨率的冷冻电镜结构的绝对数量；(B) PDB中上传的低于特定分辨率的冷冻电镜结构的百分比的。(C)2018年200个热门处方药的靶点图，按靶点的结构特征分类；(D)44个热门GPCRs处方药的靶点图，按结构特征分类；(E)2018年200个销量最高的药物的靶点图(作为新药的代表)，按靶点的结构特征分类。2020年的数据是由Njardarson实验室公示的2018年200种最受欢迎的处方药和200种销量最高的药物的蛋白质靶点(如果适用)，然后在PDB中确定相关结构，进行人工筛选。在200多种最常见的处方药中，GPCRs占据了44种，这些药物包括靶向GPCRs的激动剂、拮抗剂和反向激动剂(图1, D；注意，拮抗剂和反激动剂在药理学上不同，但在这里我们(作者)把它们统一归为拮抗剂)。这些GPCRs中的32个(73%)已经进行了某种形式的结构解析，包括与拮抗剂(44%)或激动剂(7%)结合的晶体结构，与激动剂(9%)结合的冷冻电镜结构，或由X射线晶体学和冷冻电镜手段共同进行的结构解析(20%)。值得注意的是，GPCR的高度动态结构使其难以获得高质量的晶体，因此大多数的GPCR晶体结构都是与拮抗剂结合后才得以进行结构解析的。综上所述，冷冻电镜技术在针对市场上已经存在多年的处方药中中具有深刻影响。为了更加深入了解冷冻电镜技术在未来药物发现中的作用，我们(作者)还调查了2018年取得最高利润的200种药物，以代表那些市面上新进发现的药物(图1, E)，我们简称新药。这批新药和之前提到的那些最常用的药物之间存在明显的差异。相当一部分新药已经用晶体学进行了表征，反映了结构数据在当今药物研发工作中的重要性：即便不是由结构驱动的，也很少有不追求结构的情况，因为结构信息可以为先导化合物的优化和进一步发现提供关键数据。此外，考虑到漫长的药物开发时间，冷冻电镜这一最近几年才崛起的新技术在这份名单中的占比虽小，但贡献仍相当可观。这些药物和靶点包括生物制药、离子通道和GPCRs，以及其他不适合结晶的高活性大分子。冷冻电镜对SBDD的贡献解析新型结构虽然有许多FDA批准的药物靶点结构可被X射线晶体学解析，冷冻电镜正在为越来越多的难结晶、甚至不可结晶的靶点打开大门，如分子量更大、更动态的蛋白质和蛋白质复合物。冷冻电镜也显著降低了对细胞内复合体的研究难度，如病原体的核糖体、染色质修饰复合体和转录机器。例如冷冻电镜技术近期解析了一种与线粒体体RNA聚合酶复合体相关的first-in-class 抑制剂的结构。值得注意的是，在膜蛋白领域，冷冻电镜的贡献无可比拟。不管是传统的药物，还是新型处方药，很多药物靶向针对GPCRs、离子通道和转运体蛋白。然而，利用X射线晶体学手段来解析膜蛋白的结构非常困难。尽管脂质立方结晶在GPCR领域取得了一些进展，但在结晶过程中，GPCR蛋白通常需要进行热稳定突变，或融合其他蛋白进行改造，以促进晶体的形成。并且，为了获取某种改造后的稳定的构象，还需要对克隆构建、实验方法及条件进行大量繁琐复杂的筛选。相比之下，冷冻电镜结构可以直接用来解析经过去污剂或纳米盘处理后的在生化上性质稳定的膜蛋白，并获得处于或者接近生理状态的蛋白的结构。冷冻电镜的在解析庞杂的膜蛋白的结构中能力势不可挡，并且已有大量的高分辨率结构被成功解析。长久以来膜蛋白一直都是获批药物的热门靶点，它们的结构也只是近期才被冷冻电镜揭示(图2)。图2. G蛋白偶联受体、转运体(上排)和离子通道(下排)，每个受体有相应的FDA批准的配体分子(蓝框)。利用冷冻电镜解析膜蛋白结构的突出进展，部分原因受益于新试剂的设计和使用。这些试剂可以在体外纯化过程中维持跨膜蛋白的结构，在冷冻制样过程中保护蛋白，并为高分辨率的结构解析提供均质样品。去垢剂如正十二烷基β-D-麦芽糖苷(DDM)和月桂基麦芽糖新戊二醇(LMNG)，可以有效地从细胞膜上溶解跨膜蛋白，并维持蛋白质的生理状态构象。去垢剂的使用也会产生一些问题，如去垢剂形成的空胶束和与包裹蛋白质的去垢剂同时存在存在会引起样品的不均一，对后期的数据处理处理产生影响；也可能会导致冷冻样品制备时的气液界面收到破坏，产生一些不好的结果。脂质纳米盘是去垢剂的一种替代品，原则上可以为结构和生物物理研究提供接近胜利状态的脂质双分子层。脂质纳米盘在膜蛋白药物靶点上的应用已经非常关键和广泛。举例而言，将纳米盘与冷冻电镜技术相结合，成功阐明了TRPV1和TRPV5离子通道(在TRPV1的情况下，脂质对抑制剂的结合至关重要)、GABAA配体门控离子通道、人类P-糖蛋白以及GPCR-β-arrestin复合物的高分辨率结构和机制。关于纳米盘的进一步介绍可查阅。冷冻电镜还可以用来解析嵌入脂质体中的蛋白质的结构，允许在更接近生理状态的的电化学梯度中对离子通道以及孔蛋白进行可视化研究。在过去的几年中，冷冻电镜也在生物制药领域产生了巨大影响。在较新的药物中，生物制药的占比正越来越高。如果仅将目光聚焦于药物靶点识别这一领域，生物制药的结晶技术确实称得上有所改善。然而，冷冻电镜已经为一些关键的生药物研发提供了基于全长蛋白的结构信细节息胰岛素受体一种二聚化的酪氨酸激酶受体蛋白，在调节人体的葡萄糖平衡方面起着关键作用。胰岛素受体信号通路的失调会引起一些疾病，如II型糖尿病，全球约有9.3%(4.63亿人)受到影响两个独立的研究小组利用冷冻电镜在胰岛素受体结构解析方面取得了突破进展；第一个小组以4.3Å和7.2Å的分辨率分别解析了与一个或两个胰岛素分子结合的胰岛素受体胞外结构域结构，第二个小组以3.1Å的分辨率获得了与四个胰岛素分子结合的胰岛素受体胞外结构域结构(图3, A)。这些结构解释了胰岛素受体结合胰岛素的不同结合位点，以及激活这一关键药物靶点所进行的构象变化。类似的例子比比皆是：从HER2-trastuzamab-pertuzumab复合物到SARS-CoV-2和中和抗体的结构解析，冷冻电镜为生物治疗的新老靶点提供了新的视点，为进一步发现和开发仿制药和first-in-class药物铺平了道路。另一个值得注意的例子是B淋巴细胞抗原CD20，它是治疗白血病和自身免疫性疾病的一个重要的治疗靶点，尽管其功能作用仍不清楚。尽管CD20的分子量较小，只要35kDa左右，但分别与单克隆抗体利妥昔单抗(rituximab)、奥法图单抗(ofatumumab)和奥比努单抗(obinutuzumab)的Fab结合形成复合物后，都解析获得分辨率较高的CD20复合物结构(图3, B)。负染结果显示，利妥昔单抗与CD20结合后，可诱导形成高度有序的高级结构，这一发现对激活先天免疫的补体系统提供了全新见解。由于复合物中的高度动态和跨膜结构域的存在，利用结晶手段结构解析几乎不可能实现，冷冻电镜技术的应用实现了这一可能。图3.冷冻电镜(cryo-EM)在小分子和生物制药发现方面的效用。(A)与胰岛素结合的胰岛素受体(PDB ID 6PXV)和(B)CD20与利妥昔单抗复合物(PDB ID 6VJA)冷冻电镜密度图。(C)使用GemSpot(PDB ID 6CVM)将小分子PETG精确地建模到β-半乳糖苷酶的冷冻电镜图像中。(D)基于片段的PKM2的发现，冷冻电镜密度允许正确识别和放置发现片段(PDB ID：6TTF)尽管冷冻电镜在膜蛋白结构测定领域已经迈出了一大步，但短板仍然存在。其中一个短板是解析小于50-70kDa的没有明显的胞内或胞外结构域的单体膜蛋白，由于几乎没有胞外结构域特征，因此难以对去垢剂胶束或脂质纳米盘进行降噪处理，以这种方式收集到的数据难以产出高分辨率结构，比如解析没有上下游偶联蛋白的处于非活性状态的的GPCR结构。然而，大量的蛋白质属于这一类型，解析这一类型的的膜蛋白因此也成为了一个重要的研究领域。目前，有一些解决方案正处于研究阶段，且已经取得了一定程度的成功，如前文所述的CD20。随着利用增加融合蛋白、抗体片段、纳米抗体、纳米抗体衍生物或其他支架蛋白以增加靶点蛋白的分子量等方法的应用，预计冷冻电镜在膜蛋白结构测定方面会有更多进展。计算赋能冷冻电镜冷冻电镜单颗粒技术利用数百万个颗粒的可视化投影来重建静电势图，这通常涉及数十万亿字节的原始数据。因此，该方法从计算方法的快速发展中获益匪浅，这些计算方法同时满足了对更高的分辨率的需求并加深了对粒子动力学的理解。然而，与X射线晶体学相比，冷冻电镜在获取配体-靶点复合物的高可信度模型时仍然面临着一些难题。其中一个难题是冷冻电镜难以解析得到高于2.5Å的蛋白结构，而这通常是建模人员能够精确放置配体并解析出结合位点处水分子的最低分辨率。此外，冷冻电镜的结构建模流程与晶体学完全不同：在晶体学中，模型和密度图之间有一套严格而完善的统计测量方法，该方法能够提供和模型精度相关的关键信息。而在冷冻电镜方法中，基于密度图的建模是一个完全独立的过程，仅适用收集的电镜投影来进行密度图重构，然后基于密度图进行结构建模和实空间下的微调。该过程的独立性使得模型的精度被降低了。这一问题在最近已得到改善。此外，两种方法之间还存在一些物理上的差异，如晶体学依赖电子密度图，而冷冻电镜依赖静电势图。这些差异加在一起，使得晶体学的模型验证工具无法应用于冷冻电镜模型。因此，我们可能需要为精确性开发一些新的指标。一种解决方案是使用强大的计算技术和精确的分子力场对大分子及其配体在冷冻电镜结构中的相互作用进行模拟。比如PHENIX软件包结合实空间和傅里叶空间微调和OPLS3e力场的分子动力学模型，从而生成生物分子和小分子的几何统计精修模型。OPLS3e微调工具已经被整合进到我们(作者)的自研软件GemSpot，它将各种计算方法整合为一个工作流程，从而提高冷冻电镜密度图中配体位置的准确性(图3C)。新的计算工具也推动冷冻电镜在基于片段的药物发现(Fragment-based drug discovery)中发挥作用，其中高溶解度的小片段化合物被浸泡在由多个不同结构的化合物组成的生物分子靶点中。解析复合体的结构可以解释配体与结合口袋之间关键位点的相互作用，然后可以将其组合成一个先导化合物。然而，这种方法要求配体密度质量高、分辨率高，才能正确区分配体的姿态和原子类型，目前对于冷冻电镜来说还是一个难题。最近，Saur等人在高度棘手的β-半乳糖苷酶和颇具治疗意义和挑战性的激酶PKM2的场景中成功地将冷冻电镜用于FBDD。尽管他们为了将配体置放于密度图中，而不得不将干法和湿法实验结合，但他们成功地建立了一个与β-半乳糖苷酶结合的大约150kDa的精准片段模型。更令人印象深刻的是，他们能够从四种化合物的鸡尾酒中确定哪些片段与PKM2结合(图3, D)。因此，不断发展的计算方法为冷冻电镜密度图的构建提供了一个强大的平台，可以在高分辨率下对大分子复合物进行建模。冷冻电镜的快速发展可及性与通量的提升冷冻电镜是极为精密且昂贵的仪器，需要大量的费用和人力成本来搭建、维护与操作。这一特性在很大程度上限制了冷冻电镜的发展，并将冷冻电镜的机时资源集中在了那些受政府资金扶持的大型机构上。因此，在科研界中，冷冻电镜资源的获取门槛极高。然而，这一门槛正在被逐渐降低：许多国家级设施都启动了冷冻电镜人才培养计划，以降低冷冻电镜运维的人力成本。一些大型制药公司也开始进行内部投资，设立最先进的冷冻电镜设施。此外，冷冻电镜设施的可复制性远超晶体学极其昂贵的同步加速器和线性加速器，使得该技术更有发展前景。随着100kV电子束技术的发展，未来可能会出现性价比极高的冷冻电镜，增加其在药物发现领域中的应用场景。鉴于2018年FDA批准的药物中有49%来源于中小型公司，降低冷冻电镜的成本将使冷冻电镜技术得到更广泛的应用。最近对SARS-CoV-2相关蛋白的结构表征证明了冷冻电镜的无限潜力。在病毒爆发后的几个月内，科学家们利用冷冻电镜，以极快的速度解析了新冠病毒刺突蛋白的几种构象，以及它与人源血管紧张素转换酶或许多中和人源抗体片段的复合物的结构。最近获得FDA批准的用于治疗COVID-19的再利用药物瑞德西韦(Remdesivir)与SARS-CoV-2 RNA聚合酶结合的结构也已被冷冻电镜解析。鉴于X射线晶体学一直是病毒RNA聚合酶结构测定的传统方法，对新冠病毒的冷冻电镜结构解析是一个颠覆性的创新，凸显了冷冻电镜的高时效性特点在快速反应研究中的应用。此外，冷冻电镜的分辨率仍在大幅提高，最近的一份报告指出，作为冷冻电镜的代表性复合物结构，去铁蛋白apoferritin的分辨率达到了1.25Å，该分辨率足以对单个原子进行精准定位，在某些情况下甚至可以解析氢原子和质子化态。毋庸置疑，在样品制备良好的情况下，冷冻电镜的不断改进将持续打破结构解析的分辨率记录。冷冻电镜在药物发现和开发方面的应用将进一步受益于该技术的全面自动化。在载网准备方面，一些自动化工具正在出现，以解决不可重复性和样品浪费的难题。这些技术的改进不仅会提高自动化的程度和可及性，还可能解决冷冻电镜载网制备中的其他难题，如减少颗粒在空气及水中的暴露程度。此外，机器学习方法和深度神经网络也是提高颗粒筛选速度和准确性的关键。这些自动化方法甚至有望在未来成为冷冻电镜的核心技术，从而推动冷冻电镜在药物发现领域的发展。主流硬件和软件的改进也有望提高冷冻电镜在SBDD领域的可及性。例如，更高效的检测设备能显著提高冷冻电镜的产能。在一个标准的数据收集过程中，老式的检测器相机可以每次收集1个影像，每小时产生50个影像，而较新的检测器可以每次收集9-16个影像，每小时可以产生超过200个影像，进而转化为每24小时收集的数百万颗粒投影数据。此外，虽然今天许多最高分辨率的结构是用300kV冷冻电镜获得的，但这些机器非常庞大，且前期和维护成本昂贵。在许多情况下，对于单颗粒分析中使用的薄样品，200kV的显微镜可能就足够了，甚至100kV的显微镜也可以用来获得分辨率高达3.4 Å的结构。分子动力学的新窗口结合硬件和数据处理方面的改进，冷冻电镜的潜力将进一步被释放。当X射线晶体学受限于结晶条件而无法解析时，冷冻电镜的低样品需求大幅降低了数据收集的门槛，使我们得以看到样品的构象连续体或一系列不同的能量最低状态，为大分子动力学提供了新的窗口。图4.单一的冷冻电镜数据集，投影的三维分类显示了两种不同的构象，代表了两种不同的G蛋白偶联受体-G蛋白相互作用的状态，代表了两种热力学上可比较的构象。在典型状态下(左边，PDB ID 6OS9)，受体以典型的方式与G蛋白结合，其中核苷酸结合口袋为GTP结合做准备。在非经典状态下(右图，PDB ID 6OSA)，G蛋白异源三聚体与经典状态相比旋转了45°，代表了沿G蛋白偶联途径的中间配体结合受体状态。缩写：α-N=G蛋白的N端α螺旋；cryo-EM=冷冻电镜；TM=跨膜螺旋。一些计算工具，例如二维和三维分类以及子区域的重点细化，能够利用数据集内颗粒的异质性来模拟大分子活性成分的运动。在我们(作者)小组最近的一个例子中，对神经紧张素1受体的冷冻电镜单颗粒分析结果揭示了先前识别的G蛋白、激动剂结合状态和G蛋白偶联通路上的一个新的中间状态(图4)。最近，我们(作者)还将AI深度学习网络应用于冷冻电镜数据集，揭示了26S蛋白酶体的构象动态，使解析出的结构细节达到了前所未有的原子级水平。随着分辨率和分类工具的不断改进，我们将获得更精细的构象变化。有了以上这些技术，再加上分子动力学模拟和机器学习方法等计算技术，我们将得以对配体结合的复杂过程进行更精确的建模，从而揭示全新的、可成药的中间状态。结语尽管冷冻电镜已经在SBDD领域取得了飞跃性的进展，但它的潜力远不止于此。在三维分析重构及深度学习算法等领域，若能将计算工具与更大、更高质量的数据集结合并进行训练，我们将能够描述蛋白质甚至其配体的更小幅度、更高分辨率的动态运动。我们还期望冷冻电镜在时间维度上的结构解析方法将使人们对大分子复合物的结合和解离过程有更深了解，为靶向药物的研发提供更多思路和机会。目前晶体学和大多数冷冻电镜结构所提供的只是能量最小值的瞬间结构，但对于开发新的药物作用模式而言，对机制和中间状态的理解至关重要，所以我们若能获取构象的动态信息，则对理性药物设计具有突破性意义。在综合了冷冻电镜的软硬件及方法的快速发展之后，我们可以得出结论：冷冻电镜有望为药物发现和人类健康做出巨大贡献。词表：1. 激动剂一种通过增加受体活性以产生生物反应的物质。2. 拮抗剂(也称中性拮抗剂)一种能阻断激动剂或反向激动剂的物质，在不存在激动剂或反向激动剂的情况下便没有活性3. 生物制药在生物活体中制造的药物，可能含有重组蛋白、糖类、基因疗法或核酸。4. 电子密度图电子密度与晶体中每一个晶胞位置的关系图，以二维或三维表示，由解析X射线衍射图案得出。5. 静电势图(即库仑势图)即样品中电荷分布的二维或三维表示。在电子显微镜中，静电势图由电子被与样品相互作用时产生的库仑力散射而产生。6. 基于片段的药物发现FBDD一种药物筛选方法，以评估小分子量的化学片段与期望靶点相结合的能力的方式，确认后续的药物化学实验方向。7. 反向激动剂一种通过减少受体的基础活性以产生生物反应的物质。8. 脂质立方相结晶基于脂立方相的蛋白结晶技术，采用脂立方相模拟生物膜环境，膜蛋白可以在脂质双分子层中相互接触，在合适的条件下形成晶体。9. 脂质纳米盘一个纽扣电池形状的盘状脂质双层，由两个环绕的两亲性螺旋蛋白(膜支架蛋白)稳定并使其可溶于水。10. 冷冻电镜负染一种将重金属盐染色剂嵌入并固定在生物标本上，并在室温下进行电子显微镜成像的技术方法。尽管只能在低分辨率(~2纳米)下观察标本的形状，但这种技术对于简单和快速评估样品质量是很有价值的。11. 时间分辨的冷冻电镜方法在动态构象转变的特定时间间隔内对生物样本进行速冻，并使用冷冻电镜技术进行可视化的方法。

在现代医疗领域，随着科学技术的飞速发展和生物医学研究的不断深入，对样本保存条件的要求日益严格。医用智能冷冻柜作为医疗、科研机构中不可或缺的重要设备，其使用背景主要体现在以下几个方面：生物样本保存：在临床研究、基因测序、细胞治疗及疫苗研发等过程中，各类生物样本如血液、组织、细胞株、微生物以及核酸等，需要在极低温度下保存以维持其活性与稳定性。医用智能冷冻柜通过精准控温技术，能在-20°C至-80°C乃至更低温条件下长期保存这些珍贵样本，确保后续实验分析的准确性和重复性。药品与疫苗存储：许多高敏感性药物、疫苗及生物制剂要求在特定的低温环境下存储，以防止变质或失去效用。医用智能冷冻柜凭借其稳定的制冷系统和智能监控功能，能够为这些医疗物资提供符合规范的储存环境，保障医疗质量和患者安全。科研材料保护：在生命科学研究中，许多实验材料和试剂对温度敏感，需要精确控制的低温环境来保持其稳定性和纯度。医用智能冷冻柜不仅提供了这样的环境，其智能化管理还能有效记录存储条件，为科研数据的可追溯性提供支持。安全与效率提升：相比传统冷冻设备，医用智能冷冻柜通常配备有先进的温控系统、远程监控报警、自动除霜和故障自检等功能，大大提升了样本存储的安全性和管理效率。特别是在大规模样本库或需24小时不间断监控的场景下，这些智能化特性显得尤为重要。医用智能冷冻柜的广泛应用，是现代医疗科技进步和生物医学研究深化的必然结果，它不仅保障了生物样本和医疗物资的质量与安全，也为科学研究的高效推进提供了坚实的基础。在此茂默科学推荐澳柯玛RFID 医用智能冷冻柜。温度控制系统●微电脑控制，数码显示箱内温度，箱内温度-10℃~-25℃可调。●高低温报警控制，可根据需要设定报警温度点。安全控制系统●多种故障报警：高温报警、低温报警、开门报警、传感器故障报警。●多种报警方式:声音蜂鸣报警、灯光闪烁报警。●多种保护功能:开机延时、停机间隔等制冷系统●采用国际优质压缩机和风机，制冷迅速。●加厚保温展，超微孔发泡技术，保温效果好。●无氟发泡、无急制冷剂，绿色环保。●具备强制制冷、速冻功能。●合理优化蒸发冷凝系统设计，制冷强劲。人性化设计●柚展设计，取放物品更方便。●安装压力平衡阀，开门更省力，安全门锁设计，防止随意开启。●LED照明灯，节能环保。●宽电压带设计，适应电源环境广。●宽气候带设计，适合10℃-32℃环境使用。配备温度测试便于监控箱内温度。●脚轮设计，移动轻松，带脚底螺钉，固定方便。●支持各种开门方式，如:人脸、IC卡等，防止随意开启。●可以快速读取RFID标签信息，自动存取相关数据。●RFID技术在读取上不受产品大小和外形限制，可以应用于不同的试剂。●读取精确度高，每个试剂粘贴有唯一RFID识别码，不会出现人员操作失误●配置有高清触控屏，操作方便，可上架、下架、领用、归还、查询等功能。●具有后台一键开门功能，便于紧急情况下管理员使用。可实时监控智能柜的使用情况，反馈和查询柜门的开关状态。●每种试剂的上架、位置、库存、领取、使用等过程后台可以记录和查询。●可以设置分级别管理员，每种管理权限不同，超级管理员可以新增和删除管理员。茂默科学力求解决行业内客户对科学仪器选型难、维护难的处境。欲了解更多冷冻柜相关的产品，Welcome to consult~咨询有惊喜哦！

图中展示的就是构成酵母线粒体大核糖体亚单位(yeast mitochondrial large ribosomal subunit)的各个组成蛋白质。Amunts等人根据利用低温冷冻电镜技术获得的酵母线粒体大核糖体亚单位及完整核糖体的结构图谱，一个个地合成出了上述这些组分蛋白。这个经过不断完善的结果与根据X线晶体成像技术获得的原子模型非常吻合。　　先进的低温冷冻电镜(cryo&ndash electron microscopy)技术让我们获得了大量高分辨率的蛋白质结构图。　　结构生物学(structural biology)研究的主要目的就是获得用于构成活体细胞的各种各样大分子(macro-molecules)生物组件的高分辨率图像信息。该研究主要依赖的技术手段就是X线晶体照相术(x-ray crystallography)以及核磁共振光谱分析检测技术(nuclear magnetic resonance spectroscopy, NMR spectroscopy)。不过这两种技术都有各自的局限性，比如X线晶体照相术只能够对生长得极为有序的三维结晶进行观察，而核磁共振光谱分析检测技术则要求被检测样品的纯度非常高，不能够有重叠峰出现。有很多生物大分子相互结合、组装之后形成的都是非常大的，或者非常不稳定、比较罕见的结构，都不太适合用上述这两种技术进行分析和检测。单粒子电子显微镜技术(Single-particle electron microscopy, EM)则能够观察少量非结晶样品，获得高分辨率的结构图谱。　　使用单粒子电子显微镜技术可以获得任意排列方向的分子复合体( molecular complexes)的结构图像。该技术会从每一幅图像中选出单个的复合体(粒子)，然后借助计算机来判断它们的排列方向。最后将各个不同视角的图像组合在一起，得到该分子的三维立体图像。不过由于高能电子束会对生物大分子起到破坏作用，打断分子内的共价键(covalent bonds)，并且诱发一系列级联式的有害化学反应，所以这种放射性损伤效应给单粒子电子显微镜技术带来了极大的局限性，在实验时用来记录影像的电子束的能量受到了非常大的约束。　　20世纪80年代，Dubochet等人报道了一种单粒子电子显微镜技术革新成果，将该技术引向了高分辨率成像之路。他们在低温条件(cryogenic conditions)下将待检样品放在一层薄薄的、透明的冰上用单粒子电子显微镜进行成像观察。这种方法就是所谓的&ldquo 低温冷冻电镜技术(cryo&ndash electron microscopy, cryo-EM)&rdquo ，他能够对含水的粒子(hydrated particles)进行直接成像。低温除了具有这些优势之外，还能够减少电子束对样品产生的放射性损害。不过电子束的照射量还是不能够太大，只有这样才能够清晰地反映出分子结构的细节，获得高质量的、低信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)的三维结构图像。由于将每个分子的多张图像信息组合在一起能够更进一步地降低图像的信噪比，所以，对数万、乃至数百万个蛋白质复合体进行分析就会产生数十万张图像。　　不过依靠低温冷冻电镜图像来判断生物大分子的结构给计算机处理分析工作带来了一大挑战。在借助多图像组合平均手段来改善信噪比时，必须知道每一颗粒子的方向，但是由于信噪比太低，我们对这些粒子方向的判断又明显感觉准确性不够，这就形成了一个矛盾。要解决这个问题，最成功的方法就是&ldquo 重复(iterative)&rdquo ，质量高的图像能够给出更准确的方向信息，而这些方向信息又可以帮助我们获得更高质量的图像。　　直到最近这一段时间，绝大部分单粒子低温冷冻电镜图片的分辨率都非常低，连10埃都达不到，所以很多人都将这种技术嘲笑为 &ldquo 一团浆糊学(blob-ology)&rdquo 。蛋白质二级结构中的&alpha 螺旋(&alpha helices)结构只有在分辨率达到9~10埃，甚至更高分辨率的情况下才能够看清 而另外一种二级结构，&beta 折叠(&beta strands)结构则只有在分辨率达到4.8埃以上时才能够看清。达到3.5埃的分辨率，就可以为蛋白质或核酸等生物大分子构建原子模型(atomic models)，将各种目前已知的核酸结构或氨基酸结构填入其中了。如果要了解蛋白质复合体形成时发生的各种化学变化，就必须获得原子级别分辨率的细节信息。低分辨率的结构信息也不是一无是处，当在与高分辨率结晶图像相互配合、印证，用来判断组成复合体的各种不同组分时更加有意义。因此，即便分辨率较低，低温冷冻电镜技术也还是帮助科学家们解决了很多生物学难题，比如解析出了与其他辅因子共同结合的核糖体的结构问题，以及构象只能够维持片刻时间的核糖体瞬时结构等问题。　　在过去的三十年，低温冷冻电镜设备取得了长足的进展，在样品制备、成像、计算机处理等实验技术方面有了一定的提升，这些使低温冷冻电镜成像技术的分辨率有了极大的提高。高度连贯的场发射电子枪(Highly coherent feld-emission electron guns)也使保留焦点以外的图像的高分辨率信息成为可能，这对于单粒子低温冷冻电镜非常有帮助。这种技术创新帮助科研人员获得了20面体病毒粒子(icosahedral virus particles)的图像，而且清楚地看到了其中的&alpha 螺旋结构。由于这种病毒是高度对称的，所以比较容易生成高质量的、最佳分辨率的低温冷冻电镜图像。　　随着研究人员不断地开发出更稳定的载物台、更好的显微镜抽真空技术，以及自动化的数据采集系统，这一切的技术进步都让我们能够获得更多、质量更好的电镜图像，因此才能够得到高质量的、能够对其中的氨基酸侧链进行解析的二十面体病毒粒子三维结构图像，以及分辨率达到5埃的核糖体结构图像。不过在对更小一点的非对称粒子的解析工作中还是很难解析到&alpha 螺旋结构。　　最近在低温冷冻电镜设备领域取得的最大进展就是引入了直接检测设备(direct detector device, DDD)照相机。这种DDD设备能够直接在传感器上记录图像，从而绕过了传统的、需要闪烁设备和光纤的电荷耦合装置(charge-coupled device, CCD)探测器，以及其他一些在用摄影胶片(photographic film)记录图像时必须要经过的繁杂的处理过程。因此，图像的信噪比也得到了极大的提升。在分辨率方面的提升也与之前的一些革新手段相当。在使用了DDD设备之后，还有可能在电镜图像中直接构建原子模型，甚至能够在最具挑战性的检测工作中进行&alpha 螺旋和&beta 折叠的解析工作。　　DDD设备的引入还在另外一个方面对低温冷冻电镜的图像起到了改善作用，凭借的就是该设备极快的读出速度(readout rate)，该读出速度能够发现被冰包裹的被观测粒子在电子束中的运动情况。使用DDD设备不仅能够发现这种问题，还能够解决这种问题，因为现在的电镜就好像是一台摄像机，可以拍摄一段录影，记录整个过程，而不再像以前那样，只是一台照相机，只能够拍摄出一张张固定的图像。　　有了高质量的图像，又有可以借助计算机对因为电子束而移位的粒子进行矫正的工具，我们就可以获得大量高质量的低温冷冻电镜图像，比如本文开头展示的那张分辨率高达3.2埃的线粒体核糖体亚单位图像，以及下图那张分辨率达到3.3埃的20S蛋白酶体图像和哺乳动物感受器通道TRPV1的图像。 TRPV1的图像尤其值得一提，因为TRPV1蛋白是一种膜蛋白，只有四级对称性(four-fold symmetry)，比核糖体要小一个数量级。所以之前大家一直都认为很难用低温冷冻电镜对该蛋白进行结构解析的研究工作。有了 DDD成像技术、更好的计算机辅助和生物化学技术之后，Liao等人终于在某些区域获得了分辨率高达3.4埃的图像，从而有机会开展原子建模工作，在整个结构生物学(structural biology)发展历史上写下了重重的一笔。　　单粒子低温冷冻电镜结构解析图。左图展示的是随机排列的蛋白质粒子在电镜下的图像，这些图像经过计算机处理之后可以用来计算大分子复合物的三维立体结构图像。由于有了DDD技术，左边的这些图像信息就可以构建出右图中展示的原子模型。图中展示的就是20S蛋白酶体的结构图。　　乍一看上去，这些成果都好像是特例。比如核糖体里由于含有大量的RNA，所以是一幅高度紧缩的图像，非常紧密，不太容易受到辐射的损失。而20S蛋白酶体拥有14级对称性，所以也非常适于进行低温冷冻电镜成像操作。即便是TRPV1通道蛋白也都拥有一定的内部对称性。但是最近刚刚成功获得的一幅电镜图像就完全不具备上述这些&ldquo 先天优势&rdquo ，这就是分辨率达到4.5埃的人&gamma 分泌酶复合物(&gamma -secretase)的结构图。人&gamma 分泌酶复合物是一种更小的膜蛋白复合体，完全没有对称性。该成果说明，只要待测样品能够准备得恰当，尽可能减少其在结构上的异质性，我们就完全有可能利用低温冷冻电镜技术获得各种蛋白质的三维立体结构图。　　这些科研新进展恰好出现在低温冷冻电镜技术的低谷期。最近刚刚获得的HIV-1病毒糖蛋白三聚体结构模型就引起了极大的争议，因为多位电镜专家都坚持认为，这个结构模型不仅在结构上不准确，就连用来进行分析的原始图像也都没有真实地反映该三聚体的真实信息。这场争论也让我们意识到，我们目前的确没有太多的手段对低温冷冻电镜图像的质量进行验证，虽然有一些手段，但是都没有得到广泛的推广和应用，另外也缺乏一套规范，图像的信号非常差，所以也很难判断最终得出的结构图是否就是被测样品的结构。这是一个非常值得关注的问题，不仅仅是因为这次的HIV-1病毒糖蛋白三聚体结构模型具有重大的科研价值，比如在HIV疫苗的开发工作中会起到非常重要的指导作用等。　　在结构解析方面还有大量的工作需要我们去完善：方便使用的显微镜相板(phase plates)有助于更好地聚焦，获得高对比度的图像，就好像相衬光学显微镜(phasecontrast light microscopy)那样，这能够让对图像进行信息采集的工作更加简便，而且质量更高。另外在探测器方面也可以进一步提高图像的质量。即便是最先进的探测器也达不到符合理论要求的表现。各种用来进行图像分析的计算机软件，比如用来矫正电子束相关移位的软件，或者对各种粒子进行分类、解读的软件也将会变得越来越强大。新型的样品承载系统会进一步减少电子束对样品的位移作用。更加可靠的、更加强大的验证工具可以让我们更有信心，保证不会纳入质量不高的原始图片素材。虽然现在还不知道低温冷冻电镜技术未来会走向何方，但是有一点是可以肯定的，那就是低温冷冻电镜图像绝对不再是一团浆糊了。　　原文检索：　　Martin T. J. Smith, John L. Rubinstein. Beyond blob-ology. Science 8 August 2014 DOI: 10.1126/science.1256358

每天关注Cell、Nature、Science(合称CNS)等顶级期刊是小编的日常工作之一。近两年，小编发现，除了“魔剪”CRISPR，冷冻电镜也是这些期刊的“常客”。中国科学家在这一领域取得的成果是有目共睹的，而清华大学无疑是这一领域的“领军者”之一。“冷冻电镜+清华大学=CNS”这个公式虽有点夸张，但也不是毫无根据。　　施一公　　该校的施一公院士、颜宁教授是这一领域的知名科学家。最近，两位学者都有新成果发表在CNS上。7月22日，施一公教授研究组在Science杂志就剪接体的结构与机理研究发表两篇长文，题目分别为“Structure of a Yeast Activated Spliceosome at 3.5 A Resolution”和“Structure of a Yeast Catalytic Step I Spliceosome at 3.4 A Resolution”。研究报道了酿酒酵母剪接体激活和剪接反应催化过程中两个重要状态的剪接体复合物近原子分辨率的三维结构，阐明了剪接体的激活和催化机制，从而进一步揭示了前体信使RNA剪接反应的分子机理。　　颜宁　　颜宁教授在5月、8月和9月相继在Cell、Nature和Science杂志上发表了3篇论文。发表于Cell杂志上的论文(题目：Structural insights into the Niemann-Pick C1 (NPC1)-mediated cholesterol transfer and Ebola infection)中，颜宁研究组与中国疾控中心、中科院微生物所高福院士研究组合作，首次报道了人源胆固醇转运蛋白NPC1的4.4埃分辨率冷冻电镜结构，并探讨了NPC1和NPC2介导细胞内胆固醇转运的分子机制 同时还报道了NPC1与埃博拉病毒GPcl蛋白复合体6.6埃分辨率的冷冻电镜结构，为理解NPC1介导埃博拉病毒入侵的分子机制提供了分子基础。　　8月31日，在线发表于Nature杂志上的研究(题目：Structure of the voltage-gated calcium channel Cav1.1 at 3.6 A resolution)中，颜宁研究组报道了首个真核电压门控钙离子通道的近原子分辨率三维结构，为理解具有重要生理和病理功能的电压门控钙离子和钠离子通道的工作机理奠定了基础。　　9月22日，颜宁研究组与加拿大卡尔加里大学陈穗荣研究组合作在Science杂志上在线发表标题为 “Structural basis for the gating mechanism of the type 2 ryanodinereceptor RyR2”的研究长文，揭示了目前已知分子量最大的离子通道Ryanodine受体RyR2亚型处于关闭和开放两种状态的三维电镜结构，探讨了RyR2的门控机制。关闭及开放构象的RyR2(图片来源：清华大学医学院)　　高宁& 杨茂君　　除了上述成果外，清华大学近期还发表了另外两篇基于冷冻电镜的Nature论文。5月25日，该校高宁研究组与合作者在Nature杂志在线发表了题为“Diverse roles of assembly factors revealed by structures of late nuclear pre-60S particles”的研究论文。文章报道了位于酵母细胞核内的一系列组成上和结构上不同的核糖体60S亚基前体复合物的冷冻电镜结构，确定了近20种装配因子在核糖体上的结合位置及其原子结构。该校生命科学学院高宁研究员和美国卡内基梅隆大学John L. Woolford Jr教授是这一研究的共同通讯作者。　　9月21日，清华大学研究小组在Nature杂志上发表了最新论文，首次报道了迄今为止分辨率最高的线粒体呼吸链超级复合物—呼吸体的冷冻电镜三维结构。清华大学杨茂君教授和高宁研究员是该研究的共同通讯作者。图注：a，不同侧面呼吸体结构模型及密度。b，复合物I结构模型及密度。(引用自清华大学生命科学学院)　　据清华大学生命科学学院报道，呼吸体蛋白分布于线粒体内膜上，是执行呼吸作用的超大分子机器。哺乳动物呼吸体I1III2IV1是由81个蛋白亚基(70种不同蛋白分子)所构成的分子量高达1.7兆道尔顿的膜蛋白超级复合物。该研究中，科学家小组拿到了结构稳定、均一性好的呼吸体超级复合物，同时验证了一系列小分子化合物对呼吸体超级复合物的特异调节作用，为进一步的药物开发奠定了良好的基础。　　借助冷冻电镜技术，并利用单颗粒三维重构的方法，研究小组最终获得了整体5.4埃的近原子分辨率结构，其中复合物I和复合物III的分辨率达到3.97埃(图a)。这一目前为止世界上所解析的最大也是最复杂的膜蛋白超级复合物结构为深入理解哺乳动物呼吸链复合物的组织形式、分子机理以及治疗细胞呼吸相关的疾病提供了重要的结构基础。　　小编还注意到，在一年前的同一天(2015年9月21日)，杨茂君教授、高宁研究员和该校医学院肖百龙研究员研究组合作在Nature杂志上发表了题为“Architecture of the Mammalian Mechanosensitive Piezo1 Channel”的研究论文，首次报道了哺乳动物机械力敏感离子通道Piezo蛋白的高分辨率冷冻电镜结构。　　中国内地科学家近年冷冻电镜成果一览　　那么，除了清华大学，冷冻电镜在中国其它机构的应用状况如何?它在中国的发展历史是怎样的?有哪些其他科学家发表了代表性的论文?这些问题的答案可以从施一公院士近期发表的题为《Biological cryo-electron microscopy in China》的综述中找到。清华大学王宏伟(Hong-Wei Wang)教授(现任生命科学学院院长)、雷建林(Jianlin Lei)研究员(冷冻电镜平台主管)以及施一公院士是这一综述的共同通讯作者。　　点击以下链接可以查看完整综述：　　http：//onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/pro.3018/full　　文章表示，冷冻电子显微镜(cryo-EM)在结构生物学的发展中越来越重要。目前，中国的生物学冷冻电镜(biological cryo-EM)已进入快速发展阶段。这一综述具体回顾了生物学冷冻电镜在中国的发展历史，汇总了目前的使用情况，讨论了这一技术对生物学研究的影响，并展望了它未来的前景。　　该综述列举了近年来(2008-2016)中国内地科研人员发表的多项代表性成果，共计53篇(如下图)，解析了冷冻电镜在染色质组织、免疫反应、离子通道、光合作用、核糖体生物起源、RNA代谢和病毒结构等研究中的应用。在结论部分，作者们表示，尽管冷冻电镜在其它国家也在快速、健康的发展，但是中国的增长速度远超过世界平均水平 并且，这一趋势预计会再持续5-10年。　　特别备注：本文研究成果具体介绍参考自清华大学生命科学学院、医学院官网多篇报道，综述内容编译自原文。　　参考资料：　　施一公研究组在《科学》发表背靠背两篇论文 捕获酵母剪接体两个关键工作状态高分辨率电镜结构　　清华大学颜宁研究组在《细胞》发表论文报道人源NPC1蛋白结构， 并揭示其介导胆固醇转运和埃博拉病毒入侵的分子机制　　高宁研究组《自然》在线发表论文报道酵母核糖体组装前体的高分辨冷冻电镜结构　　杨茂君研究组在《自然》发表论文首次报道了线粒体呼吸链超级复合物结构　　清华大学医学院颜宁研究组等在《科学》发文揭示心肌钙离子通道RyR2长程门控机制的结构基础　　PROTEIN SCIENCE：A family tree of the Chinese electron microscopists　　原始出处：　　Wei Peng1，2，*， Huaizong Shen1，2，3，*， Jianping Wu1，2，3，*， Wenting Guo4， Xiaojing Pan1，2， Ruiwu Wang4， S. R. Wayne Chen4，?， Nieng Yan1，2，3，Structural basis for the gating mechanism of the type 2 ryanodine receptor RyR2.Science 22 Sep 2016　　Jinke Gu，Meng Wu，Runyu Guo，Kaige Yan，Jianlin Lei，Ning Gao & Maojun Yang The architecture of the mammalian respirasome.21 September 2016

一、项目基本情况项目编号：OITC-G240570297项目名称：中国科学院物理研究所冷冻聚焦离子束扫描电子显微镜采购项目预算金额：1000.000000 万元（人民币）最高限价（如有）：990.000000 万元（人民币）采购需求：1、采购项目的名称、数量：包号货物名称数量（台/套）是否允许采购进口产品1冷冻聚焦离子束扫描电子显微镜1是 投标人可对其中一个包或多个包进行投标，须以包为单位对包中全部内容进行投标，不得拆分，评标、授标以包为单位。2、技术要求详见公告附件。合同履行期限：详见采购需求本项目( 不接受 )联合体投标。二、获取招标文件时间：2024年06月19日 至 2024年06月26日，每天上午9:00至11:00，下午13:00至17:00。（北京时间，法定节假日除外）地点：www.oitccas.com方式：登录东方招标平台www.oitccas.com注册并购买。售价：￥600.0 元，本公告包含的招标文件售价总和三、对本次招标提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名 称：中国科学院物理研究所　　　　　地址：北京市海淀区清华东路甲35号　　　　　　　　联系方式：010-82649232　　　　　　2.采购代理机构信息名 称：东方国际招标有限责任公司　　　　　　　　　　　　地　址：北京市海淀区丹棱街1号互联网金融中心20层　　　　　　　　　　　　联系方式：窦志超、曹山010-68290529　　　　　　　　　　　　3.项目联系方式项目联系人：窦志超、曹山电　话：　　010-68290529

冷冻饮品是以饮用水、食糖、乳制品、水果制品、豆制品、食用油等中的一种或多种为主要原料,添加或不添加食品添加剂,经配料、灭菌、凝冻而制成的冷冻固态制品。近些年来,微生物超标依然是冷饮食品质量安全的主要问题之一。　　质监局有关专家介绍，每年质监部门都不定期对市场上的冷饮进行抽查，每次抽查的结果都没有100%达到合格。问题主要集中在生产、运输和销售的环节上。菌落总数、霉菌、酵母菌等微生物超标是冷饮常见的问题。菌落总数超标，冷饮爽口不爽心夏天吃冷饮固然爽口又爽心，吃到不合格产品，一只冰糕下肚，等于吞下去不计其数的霉菌、酵母菌。　　存在的主要问题是细菌菌落总数和大肠菌群超标。细菌菌落总数的超标可能是生产过程中设备的通道、包装容器材料、空瓶、瓶盖消毒不彻底，生产工艺落后所致，因此必须加强生产工具、容器机械清洗消毒和机械设备的清洗消毒，改进落后的生产工艺，提高机械清洗消毒和机械化的生产能力。大肠菌群超标可能与水源直接或间接受到污染，从业人员个人卫生习惯较差有关，为此应加强法制教育，严格执行《食品卫生法》和国家对冷饮食品的卫生管理办法，坚持对从业人员体检和冷饮卫生知识的培训。应加强冷饮食品卫生预防性监督管理力度和卫生知识宣传教育的深度，把重点放在防止微生物的污染和个体私营单位的管理。　　冷饮在加工过程中，需要经过复杂的过程，对调料的配置、配料的粉碎等等，都需要经过较长的过程，且加工的过程中，冷饮直接裸露于空气之中的时间较长，容易造成菌落数超标和二次污染的问题，在包装之前，需要不间断的对于整个加工过程进行消毒灭菌。　　所以，需要找到一种正确实用高效的消毒灭菌方式才能很好解决冷饮菌落总数超标问题。　　动态消毒灭菌方式能够很好地应用于冷饮的加工过程，在包装之前，能够对于整个生产环境进行不间断消毒灭菌。据上海康久消毒技术有限公司工程师周立法介绍，这种消毒灭菌技术的杀菌原理是通过特殊的脉冲信号使得NICOLER发生腔产生逆电效应，生成大量的等离子体。在负压风机的作用下，污染空气被抽进发生腔内，带负电细菌被分解击破，整个杀菌过程只需0.1秒，再经药物浸渍型活性炭等组件二次杀菌过滤后，受控环境保持在“无菌无尘”标准。由于在对车间消毒时，人可同时在车间内工作，所以，该杀菌技术也可称作为“食品动态杀菌机”。　　定期清理奶垢能有效的防止微生物的滋生，而在清理奶垢时应注意空气杀菌，可大幅度减少微生物超标的可能性。