微觀世界藏著多少生命謎題？

想要看清病毒、蛋白質(zhì)的真實模樣，可不是一件容易事。這些微小的生物分子處在納米尺度，時刻不停運(yùn)動，質(zhì)地又格外脆弱。普通顯微鏡根本無法清晰觀測，還極易破壞它們的原有形態(tài)。直到冷凍電鏡出現(xiàn)，才幫科學(xué)家們打破了這一困境。今天，我們就一起來認(rèn)識這位特別的 “冰封探秘者”。

為何看清“納米世界”如此之難？

在深入探索之前，我們先要了解觀測生物大分子時面臨的三大“天敵”：

1

尺寸小

病毒、蛋白質(zhì)、DNA等生物大分子的尺寸在1～100納米之間，遠(yuǎn)超普通光學(xué)顯微鏡0.2微米的分辨極限。

2

“怕干”

這類生物大分子只有在有水的環(huán)境中，才能維持其天然的三維結(jié)構(gòu)。

3

“怕燙”

觀測生物大分子需要高能量的光源，但能量強(qiáng)大的電子束會瞬間“烤焦”這些脆弱的分子，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)被破壞。

以小鴨子為例，展示冷凍電鏡解析生物結(jié)構(gòu)過程

冰封之術(shù)：冷凍電鏡的三大“法寶”

冷凍電鏡的誕生，巧妙地攻克了上述所有難題。它的核心原理可概括為3個字：快、冷、算。

01

瞬間冰封

定格生命最真實的姿態(tài)

這是冷凍電鏡技術(shù)中最具革命性的一步，被稱為“玻璃化冷凍”。科學(xué)家們將含有生物樣品的溶液，以毫秒級的速度快速投入零下183攝氏度的液態(tài)乙烷中。

02

電子之眼

在極寒中安全“拍照”

樣品準(zhǔn)備就緒后，接下來就要借助電子顯微鏡進(jìn)行觀測。電子束的波長短于可見光，因此擁有更高的分辨率。

03

三維重構(gòu)

從萬千影子中重構(gòu)3D模型

隨后，超級計算機(jī)登場。它如同一位具備超凡空間想象力的建筑師，憑借強(qiáng)大的算法對海量的二維照片信息進(jìn)行比對、分類、對齊和整合，最終通過計算得到一個精確到原子級別的高清三維結(jié)構(gòu)模型。

以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析為例，呈現(xiàn)冷凍電鏡工作流程

《知識就是力量》喜迎創(chuàng)刊70周年，科學(xué)藝術(shù)作品征集

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責(zé)任編輯｜趙青云 李雅欣

運(yùn)營編輯｜李雅欣

質(zhì)量審核 | 原飛燕

圖文來源 | 《知識就是力量》雜志《冷凍電鏡 微觀世界的“冰封探秘者”》，撰文/孫正龍、劉珊（深圳灣實驗室生物影像平臺），原文有刪改，原創(chuàng)作品轉(zhuǎn)載請注明來源。

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