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新技术提高了冷冻电子显微镜的清晰度和安全性

纽约州伊萨卡市——当科学家需要可视化用来浸润人体细胞的刺突蛋白的结构时,他们转向了冷冻电子显微镜。作为研究人员武器库中最强大的成像工具之一,冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 可以将蛋白质、病原体和各种细胞成分可视化,几乎可以看到它们的单个原子。

但是为冷冻电镜准备样品是一个繁琐的过程,它依赖于乙烷——一种强大的液态冷却剂,在室温下是一种容易爆炸的易燃气体。

9 月 7 日发表在国际晶体学联盟杂志上的一项新研究表明,可以使用更安全、更便宜的冷却剂——液氮——制备冷冻电镜样品,这些样品可以产生比用乙烷制备的样品更清晰的图像。这些发现颠覆了可追溯到 1980 年代的传统智慧,并可能提高冷冻电镜的安全性和质量。

“乙烷不是标准的实验室化学品。这是危险的,并利用它增加了额外的复杂,”资深作者罗伯特·索恩,在艺术和科学学院和韦斯研究员物理学教授。“液氮是首选的冷却剂。”

Cryo-EM 的工作原理是通过在玻璃状水中闪冻的分子发射电子,捕捉冰中分子的多个模糊图像。复杂的软件通常可以将这些模糊的剪辑平均化为一张清晰的 3D 图像,但并非始终如一。

一些模糊来自样本本身。当包裹分子的水冷却得太慢时,它会形成冰晶,从而降低图像质量。科学家们通过使用乙烷快速冷却水以使其卡入玻璃状、无晶体的薄片来规避这个问题。但是如此快速的冷冻会给位于金薄膜上的纸张带来压力。当电子束撞击纸张时,应力会导致分子移动,从而以一种称为电子束诱导运动的现象来模糊最终图像。

“我们有两个相反的因素,”索恩说。“我们希望快速冷却样品,以防止冰晶形成并捕获分子的生物结构。但我们也希望尽可能缓慢地冷却样品,以尽量减少它们在成像过程中的运动。”

乙烷可以非常快速地冷却样品。但研究人员必须使用液氮将乙烷气体转化为液体,然后在冷冻后更多的液氮来储存样品。“乙烷很麻烦,很危险,最终,无论如何,样品最终都会在液氮中,”索恩说。

根据过去 40 年的报告,液氮的冷却速度大约比乙烷慢 50 倍,这还不足以将水转化为玻璃状薄片。但是在 2006 年,Thorne 的研究小组发现使氮气减速的主要因素是在液体表面上方盘旋的冷气体,它在小样品到达液体之前冷却了它们。

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