“浙里”仪器共享好故事⑭|冷冻电镜解析高分辨空间结构 仪器共享揭开植物光合作用的面纱
2022-12-07 17:16 发布人：系统管理员本期“浙里”仪器共享好故事，享博士带领大家走进浙江大学冷冻电镜中心，共同了解为多尺度、跨领域交叉学科的研究提供高水平成像技术支持的中心技术团队，通过共享仪器，在生命科学领域取得突破性进展的故事。
视频链接：
绿硫细菌样品易变形
创新探索生物大分子结构与功能
冷冻电子显微镜，简称冷冻电镜（Cryo-EM），起源于1931年发明的电子显微镜，直到20世纪70年代才出现第一代雏形。到了21世纪，冷冻电镜技术应用于生物科学领域的探索，已被很多科学家所采纳和使用。2017年的诺贝尔化学奖颁给了三位物理学家，表彰他们发展了冷冻电镜技术，至此，冷冻电镜成为了跨物理、化学和生物三界的明星。
浙江大学冷冻电镜中心是2017年5月8日正式发文成立的浙江大学校级科研平台，中心技术团队有13位国内外教授以及实验技术人员。冷冻电镜中心配备包括Titan Krios 300kV、Talos F200C 200kV冷冻透射电镜在内的一系列电子显微镜设备、光电关联显微成像设备、光刺激高压冷冻设备、场发射扫描电子显微镜设备及各相配套的大数据计算系统。
浙江大学冷冻电镜中心主任张兴教授，曾任美国加利福尼亚大学洛杉矶分校电镜中心技术主任，同时也是浙江大学求是特聘教授，带领其团队多年来深耕冷冻电镜技术和生物大分子结构及功能，2020年11月20日，研究团队在国际顶级杂志《科学》（Science）发表科研成果，率先解析了一种古老的光合细菌——绿硫细菌的光合反应中心空间结构。在研究过程中，张兴团队碰到了两桩棘手的事情：一是绿硫细菌作为一种厌氧菌对周围环境要求非常苛刻，反应中心复合体在有氧条件下非常不稳定，低浓度的氧气容易导致样品变性，因此绿硫细菌反应中心的样品制备极其困难；二是早期对于生物大分子结构的解析主要借助X射线晶体学完成，而这种方法需要较多的样品，且对样品的纯度和均一度有很高的要求。双重因素下，绿硫细菌反应中心的结构的解析变得困难重重。
【张兴教授（右三）科研团队】
冷冻电镜“看清”古老光合细菌
揭开绿硫细菌光合反应中心的“庐山真面目”
/ 找仪器 来浙里
在困难面前，张兴团队勇往直前，不懈努力。研究团队首先利用入网至浙江省大型科研仪器开放共享平台中的浙江大学冷冻电镜中心的300kV冷冻电镜配套设施完成冷冻样品制备。在制备过程中，由于200kV冷冻电镜电压较低，衬度高，研究团队用其进行快速筛选样品。而300kV冷冻电镜电压高，分辨率高，研究团队用其采集数据并进行解析高分辨结构，最终获得2.7埃分辨率的三维结构，这使得研究团队能从原子水平阐述光反应中心的作用机制。在冷冻电镜的帮助下，研究团队通过优化样品制备的各环节，获得了足够的稳定蛋白样品，收集了近万张样品颗粒的电子显微镜成像图片，最终在世界上首次解析了绿硫细菌反应中心的结构，揭开了古老绿硫细菌反应中心的庐山真面目，成就了一个从源头创新探索基本生命规律领域的新的标志性科研成果。
在此次深入探究绿硫细菌反应中心的过程中，冷冻电镜技术发挥了重要作用。与常规的电镜相比，冷冻电镜技术包含冷冻制样技术，冷冻转移及保持技术和低剂量成像技术。冷冻电镜利用液态乙烷快速冷冻含有水分的生物样品，将样品颗粒置于很薄的玻璃态冰层中。同时冷冻电镜具有低温保持系统，可使样品始终处于液氮或者液氦温度，减轻样品在检测过程中的电子辐射损伤程度，尽量保持样品的原始结构。不仅如此，冷冻电镜还配套了相应的低剂量成像模式，进一步减轻样品在观测过程中的辐射损伤程度，帮助研究人员更好地解析物质结构。
张兴团队综合利用冷冻电镜的快速筛样和高分辨结构解析功能，助力诸如农学、药学、医学、生物学等学科中关键蛋白结构的解析。这不仅促进了相关学科发展的进步，同时也为农业生产发展、疾病诊断、药物研发提供靶点结构信息。对于利用植物光合作用原理，探索改善体内缺氧环境，创新疾病的诊治手段有重要的前瞻性意义。
【冷冻电镜样品制备、
数据收集及处理流程】
共享技术常态化
提升高端仪器利用率
/ 找仪器 来浙里
近年来，冷冻电镜技术发展迅速，与X射线晶体学、核磁共振一起构成了高分辨率结构生物学研究的基础。冷冻电镜技术使生物分子成像变得更加简单，把生物化学带入了一个新纪元。近年来，冷冻电镜技术冷冻电镜技术用途广泛，帮助很多生物大分子复合物解析三维结构，在人工模拟光合作用、指导设计新型农作物、医学诊治技术创新等方面都具有重要的前瞻性意义。
很多研究领域取得的重大突破和惊人发现，都依赖于对科技资源和科学数据的全面准确掌握与深入挖掘分析。然而长期以来，仪器和科技资源布局分散，犹如珍珠一般散落在不同主体和不同环节，有效统筹不足、使用效率不高。截止2022年5月，全国有69台300kV冷冻电镜，其中浙江省内8台。高价的仪器设施也让许多科研院所和创新型企业望而却步。
为了更好地帮助高校、科研院所及企业完成研究项目，浙江大学冷冻电镜中心通过浙江省大型科研仪器开放共享平台，提供共享仪器冷冻电镜，提高冷冻电镜的利用率，达到双赢效果。作为浙江大学冷冻电镜中心中当之无愧的 “劳模”，300kV冷冻电镜每个月只有固定的96小时停机维护，其余时间无时无刻都在进行各种各样的生物样本结构数据采集。
“在仪器共享的帮助下，我们服务的对象地域分布更广，专业领域涵盖更多。生命医学领域的结构和功能研究的飞速发展受益于30年来冷冻电镜的发展和优化。在高分子、新能源材料等物质科学中的重大挑战同样可以受益于冷冻电镜，但在很大程度上仍未被探索。跨尺度多模态成像技术，可以在材料和物质研究等领域产生重大影响，取得突破性成果，解决诸如神经退行性疾病的发病机制、新冠病毒侵染机制、新能源材料的储能和调控机制、无机物精准制造等基础研究领域的重大科学问题，促进多学科交叉会聚，”冷冻电镜中心主任张兴教授说，“目前中心的优势服务项目仍然围绕着单颗粒三维重构技术，未来我们将在学校的支持下，购置尖端仪器：配备全球首台单色球差积分差分成像冷冻电镜和全国首台多功能高通量冷冻聚焦离子束扫描电镜，结合平台已有设施和人才团队，实现多学科、跨尺度的高分辨结构解析，弥补浙江大学现有的2台冷冻透射电镜仅可用于生命科学研究，无法满足多学科冷冻超高分辨结构研究需求的不足。”
未来，浙江大学冷冻电镜中心将发展尖端技术，包括重点发展并完善辐射敏感材料的原子分辨成像技术、冷冻电子断层技术和冷冻大尺度三维电镜技术，并结合学校人工智能学科优势，开发具有浙大特色的高通量AI+图像获取和分析技术。同时助力尖端科研，实现在原位水平上解析生物大分子及辐射敏感物质材料的三维原子结构，实现细胞、生物大分子及各种特殊材料的跨尺度、多模态高分辨结构表征，助推浙大在生命科学、物质科学、农业科学、新能源材料等领域产出原创性成果。
【浙江大学冷冻电镜中心】
【2019-2022年间支撑的突破性成果】
策划：陈盼 陈宁 章玮
文字：陈嘉琦 许驰
图片：杨雪斌 浙江大学冷冻电镜中心
视频：杨雪斌
宣传支持：浙江树人学院马妍妍团队
本文转载自“浙里大仪共享”公众号
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/8gtv94GvYNgRQjqxNYmM2w
策划：陈盼 陈宁 章玮
文字：陈嘉琦 许驰
图片：杨雪斌 浙江大学冷冻电镜中心
视频：杨雪斌
宣传支持：浙江树人学院马妍妍团队
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