低温电子显微镜：用小电子观察大分子

低温电子显微镜（cryo-EM）可用于在原子细节上观察无限小尺寸的分子结构：它由什么组成？

电子显微镜 基本上类似于光学显微镜，其工作原理是用可见光照射物体并通过透镜将物体偏转的光线重新聚焦在眼睛视网膜或屏幕上。我们可以使用适当的镜头放大图像，以了解更精细的细节。这里就不得不提到一个术语“分辨率”，即 在最小距离上观察分辨两个物体的能力。人眼的分辨率约为0.1毫米。 借助利用可见光的光学显微镜可以达到0.2微米的分辨率，即高出500倍。这种分辨率可以观察 单个细胞，但无法观察病毒、蛋白质和其他生物分子等更小的物体。

要观察更小的物体，则需要使用可见光以外的东西：电子。电子是亚原子粒子，比我们想要观察的分子还小很多，他们会被分子的原子从路径上偏转，就像光被物体的边缘偏转一样。使用不是由固体材料制成而是由电场组成的特殊透镜，我们可以聚焦电子并获得分子图像。

如上所述，该项技术似乎很简单。但多年来有许多技术问题限制了其使用：

• 首先，样品中的 分子会移动，因此图像是模糊的，跟照片一个道理，这极大地限制了分辨率；
• 其次，电子是高能量粒子，会破坏其“照射”的分子。低温电子显微镜克服了所有这些问题， 样品会被冷却至-173.15 ℃：在该温度下，水变成玻璃状，分子被固定，电子造成的破坏也有所减少（获得诺贝尔奖的发现）。

低温电子显微镜（cryo-EM）实验的示意图如下所示。

还有最后一个困难：我们能够了解物体的三维图像是因为可以从多个角度观察它。 在cryo-EM中，可从多个不同的方向拍摄物体（分子）。因此， 可通过复杂的计算机算法，利用空间中随机定向分子的二维图像重建分子三维形状。此时需要由生物化学家来确定电子密度并建立蛋白模型。

Cryo-EM是一项极其强大的前沿技术，在最近几年里使我们能够确定许多研究人员长期以来无法确定的分子结构。新型冠状病毒棘突蛋白的结构在病毒基因组测序后数月便确定下来，并用于精细了解其与ACE2细胞受体的相互作用。但与其他技术一样，这项技术也有局限性：例如，被研究的分子必须较大。另一项不容忽视的限制是显微镜本身及其维护成本较高。