新液氮冷却技术，可提高低温电子显微镜的清晰度与安全性

低温电子显微镜（cryo-EM），也被称作冷冻电子显微镜，它是最强大的成像工具之一，几乎可以观察到蛋白质、病原体和各种细胞成分的单个原子。例如在观察冠状病毒用来渗入人体细胞的穗状蛋白结构时，就会用到低温电子显微镜。但是为低温电子显微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），在室温下是一种易燃气体，容易发生爆炸，所以存在一定的安全隐患。

最近一项新的研究表明，可以用一种更安全、更便宜的冷却剂，即液氮，来制备低温电镜的样品，这些样品可以产生更清晰的图像。

低温电镜的工作原理是通过发射电子，将分子瞬间冻结在玻璃状的水面上，捕捉到冰内分子的多个模糊图像。复杂的软件通常可以将这些模糊的片段化为一个清晰的三维图像，但并不一致，有些模糊来自于样品本身。当包裹分子的水被冷却得太慢时，它形成的冰晶会降低图像的质量。科学家们通过使用乙烷快速冷却水来规避这个问题，使得它被压缩成玻璃状的无晶体片。但是这样的快速冷冻会给薄片带来压力，当电子束击中薄片时，压力导致分子移动，一种被称为光束诱导运动的现象会模糊了最终图像。

在整个过程中出现矛盾的因素。一方面希望快速冷却样品，以防止冰晶形成，并捕捉分子的生物结构。但是也希望冷却速度稍慢，以尽量减少成像过程中的运动。

根据过去40年的报告，液氮的冷却速度比乙烷的冷却速度大约慢50倍，但这还不足以将水转化为玻璃片。研究小组最终为X射线晶体学（另一种用于对蛋白质分子进行成像的方法）开发了一种自动冷却仪器，在样品被投入氮气之前就将冷气去除，发现冷却速度增加到仅比乙烷慢六倍。研究人员随后调整了冷却仪器，用于低温电镜样品，并收集和分析低温电镜数据。

新的研究结果发现，氮气的冷却速度是低温电镜样品制备的完美速度，快到足以避免明显的冰晶形成，慢到可以减少光束引起的运动。研究人员表示，全液氮冷却将简化低温电子显微镜的工作流程，消除乙烷所需要的额外步骤，更容易设计符合当前实验室安全标准的自动冷却仪器。

题为“High-resolution single-particle cryo-EM of samples vitrified in boiling nitro­gen”的相关研究论文发表在《国际晶体学联合会杂志》上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：

https://journals.iucr.org/m/issues/2021/06/00/eh5013/index.html