在過去的十年里，冷凍電子顯微鏡（cryoEM，https://spectrum.ieee.org/covid19-aeronabs）已經(jīng)成為確定復雜分子詳細結(jié)構的強大工具?，F(xiàn)在，英國醫(yī)學研究委員會分子生物學實驗室（MRC-LMB，Medical Research Council’s Laboratory of Molecular Biology）的研究人員及其合作者的一項新設計表明可以將冷凍電鏡的成本降低90%。這可能會使生物學和材料科學的結(jié)構研究變得觸手可及，研究人員目前必須將樣本發(fā)送給地區(qū)中心或富裕組織的同事。

在低溫電子顯微鏡中，100千電子伏至300千電子伏之間的電子束穿過樣品——一組分離并固定在厚度不到60納米的超薄冰層中的單分子（平均直徑為5至40納米）。該束可以產(chǎn)生傳統(tǒng)的透射電子顯微照片（TEM，https://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_electron_microscopy）圖像，但不需要額外的TEM染色或聚合物固定步驟。低溫電子顯微鏡的極低溫度減少了樣品和穩(wěn)定介質(zhì)中的熱運動，同時減少了電子束對樣品的損傷。結(jié)果顯示：CryoEM可以產(chǎn)生衍射圖案，產(chǎn)生復雜分子的逐原子結(jié)構，這種分辨率在室溫下是不可能的。

研究人員拍攝了數(shù)百張顯微照片，覆蓋了數(shù)萬個不同方向的單個分子。他們將顯微照片結(jié)合起來，構建出高分辨率（約0.3納米）的3D圖片。

Nature Methods將cryoEM命名為“2015年度方法（https://www.nature.com/articles/nmeth.3730）”。2017年諾貝爾化學獎（https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2017/summary/）授予了洛桑大學的Jacques Dubochet、哥倫比亞大學的Joachim Frank和MRC-LMB的Richard Henderson。自那以后，cryoEM的應用激增。

然而，傳統(tǒng)的冷凍電鏡是昂貴的。一臺發(fā)射300keV電子束的高端儀器的購買成本至少為500萬美元。建造支撐和安置機器的設施可能會再次花費同樣多的費用。另外每天的運營還要花費數(shù)千美元。

相比之下，MRC-LMB的研究人員只花了50萬美元就建造了他們的新冷凍電子顯微鏡，MRC-MMB的研究者Christopher Russo如此表示，他是11月27日發(fā)表在《美國國家科學院院刊》（PNAS，Proceedings of the National Academy of Sciences）上的一篇詳細介紹這項工作的論文（https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2312905120）的作者之一。商用100keV顯微鏡的總零售成本最終可能會略高。

Russo說：“這可能是因為一旦儀器與服務合同一起被打包，它可能就會變得更多。但希望最終可以低于100萬美元，這將使單個團體和標準設備撥款獲取更容易……我們正在與所有顯微鏡制造商進行討論，鼓勵他們按照這個原型將產(chǎn)品商業(yè)化。”

與此同時，Russo說，“人們可以用相同的零件組合來制作一臺顯微鏡，甚至可以將合適的舊顯微鏡升級。但我們預計大多數(shù)人更愿意購買一臺組裝好并安裝好的新顯微鏡?！?/p>

十一種復雜生物分子

Russo和同事們用顯微鏡制作了11種復雜生物分子的3D分子結(jié)構。MRC-LMB系統(tǒng)還不具有300keV系統(tǒng)的分辨率；根據(jù)美國國家科學院院刊的論文，一臺頂級商用機器的分辨率比100keV的原型高出10%至25%，但Russo和他的同事們對他們能夠縮小差距持樂觀態(tài)度。

MEDICAL RESEARCH COUNCIL LABORATORY OF MOLECULAR BIOLOGY

即便如此，價格合理的100keV低溫電子顯微鏡也有其自身的幾個優(yōu)勢。在電子束的損壞使樣品無法使用之前，掃描會產(chǎn)生更有用的結(jié)構信息。這意味著研究人員可以對樣本進行更多的掃描，以建立高分辨率的圖像?，F(xiàn)場冷凍電鏡消除了運送樣本、等待樣本運行、等待發(fā)現(xiàn)樣本不可讀以及等待結(jié)果的延遲。研究人員在論文中寫道，這將“標本制備、優(yōu)化和數(shù)據(jù)收集之間的循環(huán)縮短到數(shù)小時，而不是數(shù)天或數(shù)周”。他們說，有了自動化的樣品處理和更大的探測器，收集用于確定原子結(jié)構的數(shù)據(jù)最終可能只需要幾分鐘。

一些項目之外的研究人員喜歡低成本冷凍電鏡的機會。Ed Eng管理紐約結(jié)構生物學中心的國家冷凍電鏡獲取和培訓中心，該中心是美國三個國家冷凍電鏡中心之一，Jason de la Cruz管理紐約市斯隆-凱特琳研究所的冷凍電鏡設施。他們一致認為，MRC-LMB將冷凍電鏡成本降低一個數(shù)量級的目標是可信的，他們支持這一努力。

Eng和de la Cruz在一封電子郵件中寫道：“如果使用100keV電子進行單粒子分析（SPA）被證明優(yōu)于高端機器上的SPA數(shù)據(jù)收集，那么SPA未來可能會轉(zhuǎn)向100kV[顯微鏡]，留下專門用于厚樣品、冷凍電子斷層掃描和[微晶電子衍射]的高kV示波器?！?/p>

De la Cruz指出，“這一創(chuàng)新也為低溫EM顯微鏡和探測器制造商帶來了急需的競爭的可能性。在過去十年中，Thermo Fisher Scientific公司憑借其儀器主導了低溫EM領域；然而，這一發(fā)展可能會刺激傳統(tǒng)EM制造商，如JEOL Ltd.和Hitachi High-Tech Corporation，開發(fā)他們自己的低keV低溫cryoEM TEMS?！?/p>

Eng補充道，“對于結(jié)構研究，100keV儀器將對低資源機構產(chǎn)生廣泛影響，并為這些科學家提供一條可行的途徑，使他們能夠在研究項目中可持續(xù)地使用冷凍電鏡?！?/p>