說(shuō)起冷凍電鏡,小編想不管是研究生還是教授大咖,可能和科研有那么一丁點(diǎn)聯(lián)系的人對(duì)這個(gè)名字都不會(huì)陌生,因?yàn)樗鼘?shí)在太出名了!基于冷凍電鏡產(chǎn)出的科研成果很多都發(fā)表在Nature、Science、Cell等頂刊上(羨慕臉),堪稱NSC神器。冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展直接帶動(dòng)了生命科學(xué)領(lǐng)域,特別是結(jié)構(gòu)生物學(xué)的飛速發(fā)展,今年更是不負(fù)眾望(欺負(fù)我大化學(xué))一舉拿下了“炸藥”化學(xué)獎(jiǎng)!不過(guò),這些都不重要,畢竟他是隔壁生物家的孩子,以路人甲的姿態(tài)(羨慕但是我不表現(xiàn)出來(lái))看看就好,反正也用不上!沒(méi)想到一個(gè)晴朗的日子,還有些風(fēng)和日麗的,Stanford的崔大神(崔屹)硬生生把它拽進(jìn)了我大材料圈,而且一鳴驚人,搞了篇Science!(就問(wèn)你服不服)聽(tīng)到這個(gè)消息,小編不禁陷入了深深的沉思,都是做材料的,怎么差別就這么大呢?(隔壁桌小林:人家是大牛!年輕的大牛!你,呵呵~)然而,短暫的沉思之后,小編知恥而后勇,決定好好看看這個(gè)“亂入”我材料圈的隔壁生物家的孩子,萬(wàn)一大老板某天心血來(lái)潮也弄了一臺(tái)放實(shí)驗(yàn)室了(大老板:我就呵呵不說(shuō)話),那小編豈不是有大大的優(yōu)勢(shì),機(jī)智如我!獨(dú)機(jī)智不如眾機(jī)智,所以下面,小編帶大家共同了解一下這把生物圈的屠龍寶刀——冷凍電鏡!
1. 什么是冷凍電鏡?
冷凍電鏡,全稱冷凍電子顯微鏡技術(shù)(Cryo-electron microscopy, Cryo-EM)(我大材料的小伙伴也快好好記住這個(gè)單詞,相信不就的將來(lái)就會(huì)成為檢索材料學(xué)文獻(xiàn)的熱門(mén)關(guān)鍵詞),是指將生物大分子快速冷凍后,在低溫環(huán)境下利用透射電子顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行成像,再經(jīng)圖像處理和重構(gòu)計(jì)算獲得樣品三維結(jié)構(gòu)的方法[1]。圖1就是中科院生物物理研究所的FEI Titan Krios 300kV冷凍電鏡,據(jù)說(shuō)單臺(tái)應(yīng)該在600萬(wàn)美元以上。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展,冷凍電鏡甚至超越了X射線晶體學(xué)、核磁共振(NMR)支撐起了高分辨率結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的基礎(chǔ)。
圖1 FEI Titan Kiros 300kV 冷凍電鏡實(shí)物圖
那么為什么需要冷凍電鏡技術(shù)?眾所周知,X射線晶體學(xué)是解析結(jié)構(gòu)的經(jīng)典方法,然而它需要獲得生物樣品單晶,生物大分子的晶體生長(zhǎng)卻十分困難;而與此同時(shí),材料學(xué)研究中早已使用電鏡直接觀察到了原子像[2](作為一名材料汪,TEM、SEM的重要性我想無(wú)需贅言),于是生物學(xué)家也想用電鏡給生物大分子拍一張高清照片,解析其結(jié)構(gòu),以理解其生化反應(yīng)機(jī)制,然而事情沒(méi)有那么簡(jiǎn)單,電子顯微鏡在生物領(lǐng)域的應(yīng)用受到了嚴(yán)重限制:(1)生物樣品含有豐富的水,而透射電鏡的工作條件是高度真空的;(2)高能電子束會(huì)嚴(yán)重破壞生物樣品;(3)生物樣品主要是C、O、N、H等輕元素,對(duì)電子的反射和散射與背景相似,獲得圖像襯度很低;(4)蛋白質(zhì)分子會(huì)漂移,導(dǎo)致圖像模糊。經(jīng)過(guò)眾多科學(xué)家的長(zhǎng)期努力,不斷克服種種困難,冷凍電鏡技術(shù)終于發(fā)展了起來(lái),實(shí)現(xiàn)了溶液里生物分子高分辨率的結(jié)構(gòu)解析,使得生物化學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代,其中3位有開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)的科學(xué)家因此榮膺2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他們分別是:瑞士洛桑大學(xué)Jacques Dubochet教授、美國(guó)哥倫比亞大學(xué)Joachim Frank教授和英國(guó)劍橋大學(xué)Richard Henderson教授。冷凍電鏡技術(shù)給出的生物大分子高清照相的方案是[1]:樣品冷凍→低劑量電子冷凍成像→三維重構(gòu)。
圖2 獲得2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的3位科學(xué)家
(1)樣品冷凍
樣品冷凍其實(shí)是科學(xué)家們很早就想到的思路,但是冷凍之后樣品中水分子形成冰晶,不僅產(chǎn)生強(qiáng)烈電子衍射掩蓋樣品信號(hào),還會(huì)改變樣品結(jié)構(gòu)。直到1974年,Kenneth A. Taylor和Robert M. Glaeser在-120℃觀察含水生物樣品時(shí)未發(fā)現(xiàn)冰晶形成,而且發(fā)現(xiàn)冷凍樣品能夠耐受更大劑量和更長(zhǎng)時(shí)間的電子輻照,才為樣品冷凍帶來(lái)轉(zhuǎn)機(jī)。而上面提到的Jacques Dubochet老爺子則更進(jìn)一步,發(fā)現(xiàn)了水的玻璃態(tài),成功解決了冷凍電鏡制樣問(wèn)題,如圖3 (a)所示[1]。
圖3 冷凍電鏡樣品制備(a)和三維重構(gòu)(b)示意圖
(2)低劑量電子冷凍成像
材料汪都知道一般做TEM、SEM的時(shí)候,樣品導(dǎo)電性越好,電子劑量越高,成像質(zhì)量越好。然而,高劑量電子對(duì)生物大分子卻是毀滅性的,因此Richard Henderson教授提出在低溫下用盡量低的電子劑量成像。他與其合作者先后在1975年和1990年重構(gòu)出了粗糙的(7?)和高分辨率(3.5?)的細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白的模型,如圖4所示,證明了冷凍電鏡用于生物大分子高分辨率結(jié)構(gòu)解析的可行性。然而,這個(gè)歷時(shí)15年的進(jìn)步與早在1984年就獲得膜蛋白3.0 ?分辨率原子模型的Hartmut Michel等人(1988年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者)相比似乎仍顯遜色。盡管情況不容樂(lè)觀,但是Henderson教授仍不斷從理論上指導(dǎo)冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展并預(yù)言:隨著電鏡技術(shù)和制樣水平的發(fā)展,冷凍電鏡必將成為疑難樣品和非結(jié)晶生物大分子結(jié)構(gòu)解析的有力工具。
圖4 細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白的3D結(jié)構(gòu)模型
(3)三維重構(gòu)
做過(guò)TEM的小伙伴都知道,透射電鏡得到的是二維投影圖像,要得到三維的結(jié)構(gòu),就要通過(guò)一系列建模、變換,這個(gè)過(guò)程就是三維重構(gòu)。上面提到的第3位諾獎(jiǎng)得主Joachim Frank就是和他的合作者建立了非對(duì)稱顆粒從二維投影到三維結(jié)構(gòu)的方法(隨機(jī)圓錐傾斜法),奠定了冷凍電鏡單顆粒三維重構(gòu)的基本原理,如圖3(b)所示[3, 4]。隨后,開(kāi)發(fā)了SPIDER程序用于冷凍電鏡結(jié)構(gòu)分析,得到了廣泛應(yīng)用。目前,冷凍電鏡領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的三維重構(gòu)軟件是上面劍橋大學(xué)Richard Henderson老爺子實(shí)驗(yàn)室的Sjors Scheres博士(據(jù)說(shuō)當(dāng)時(shí)Sjors Scheres博士沒(méi)有一篇NSC論文,但Richard Henderson教授仍獨(dú)具慧眼將其引進(jìn)到劍橋MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室)開(kāi)發(fā)的RELLION。
然而,即便打通了任督二脈(上述3個(gè)關(guān)鍵流程),冷凍電鏡并沒(méi)有立即獲得今天這樣的爆紅。這主要是因?yàn)椋?)冷凍電鏡的信噪比低,(2)圖像攝取時(shí)漂移,使得可以獲取的二維投影仍是模糊狀態(tài),因此僅能應(yīng)用于有限的生物大分子單顆粒的結(jié)構(gòu)解析,嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。直到2013年,加州大學(xué)舊金山分校(UCSF)的程亦凡教授等將直接電子探測(cè)器(DDD)用于記錄冷凍電鏡的單顆粒圖像,大大提高了信噪比與分辨率,實(shí)現(xiàn)了近原子分辨率(3.3 ?)的膜蛋白結(jié)構(gòu)的解析,才引起了業(yè)界的轟動(dòng),如圖5所示。隨后,冷凍電鏡技術(shù)在生物大分子3D結(jié)構(gòu)解析中無(wú)往不利,堪稱屠龍寶刀。目前,美國(guó)NIH的Subramaniam實(shí)驗(yàn)室成功解析了谷氨酸脫氫酶的結(jié)構(gòu),分辨率達(dá)到了1.8 ?,創(chuàng)造了最高分辨率的世界紀(jì)錄。
圖5 直接電子探測(cè)器應(yīng)用前后的分辨率對(duì)比
可見(jiàn),正是3位諾獎(jiǎng)科學(xué)家在各自領(lǐng)域內(nèi)完成突破性的工作:Jacques Dubochet突破了冷凍技術(shù)的瓶頸,Joachim Frank在三維重構(gòu)算法上做出了原創(chuàng)性貢獻(xiàn),Richard Henderson首次使用低電子劑量成像完成了生物大分子3D結(jié)構(gòu)的解析并一直在理論上指導(dǎo)冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展,最終形成了0到1的飛躍,鑄造了冷凍電鏡這一把屠龍寶刀,開(kāi)創(chuàng)了結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的新局面。上述3位科學(xué)家獲得諾貝爾獎(jiǎng)?wù)驴梢哉f(shuō)當(dāng)之無(wú)愧!
2.冷凍電鏡在結(jié)構(gòu)生物學(xué)中的戰(zhàn)績(jī)
從NSC等頂刊的發(fā)文情況及源源不斷的生物大分子結(jié)構(gòu)被解析出來(lái),冷凍電鏡在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域取得的巨大成功無(wú)需贅述。單單以中國(guó)大陸為例,基于冷凍電鏡技術(shù)在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域取得的重大進(jìn)展就十分可觀,具體如表1所示[5](2016年)。而隨著冷凍電鏡技術(shù)的大熱,國(guó)內(nèi)的許多高校、科研院所紛紛花重金購(gòu)進(jìn)冷凍電鏡設(shè)備,已經(jīng)有超過(guò)24家獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室在采用冷凍電鏡進(jìn)行蛋白質(zhì)等生物大分子的3D結(jié)構(gòu)解析研究,如圖6所示[5]。
表1 2016年中國(guó)大陸基于冷凍電鏡取得的標(biāo)志性成果
圖6 國(guó)內(nèi)主要的冷凍電鏡分布圖
3.冷凍電鏡在材料科學(xué)中嶄露頭角
小編沒(méi)有查到在崔屹教授之前將冷凍電鏡技術(shù)應(yīng)用到材料科學(xué)領(lǐng)域的報(bào)道,但是不管有沒(méi)有,以Stanford的崔屹教授2017年10月27日在線發(fā)表在Science這篇題為“Atomic structure of sensitive battery materials and interfaces revealed by cryo-electron microscopy”的研究論文 [6]作為冷凍電鏡在材料學(xué)研究中的一個(gè)開(kāi)端,小編認(rèn)為是合適的,畢竟它是“他山之石,可以攻玉”的一個(gè)典范,可以說(shuō)開(kāi)啟了材料科學(xué)研究的一個(gè)新世界。
做鋰電的小伙伴都知道,鋰枝晶是鋰電中最大的安全隱患,Samsung、Apple產(chǎn)品時(shí)不時(shí)出現(xiàn)的自燃事故和它不無(wú)關(guān)系。時(shí)至今日,枝晶的產(chǎn)生、生長(zhǎng)以及刺穿隔膜造成電池內(nèi)部短路,都是電池專家們不得不直面的問(wèn)題,也是材料領(lǐng)域“持續(xù)高溫”的研究方向。然而,眾所周知,鋰元素非常活潑,對(duì)環(huán)境極其敏感,如何從原子層面去研究鋰枝晶的形成和生長(zhǎng),極具挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的高分辨TEM電子束能量很高,會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞枝晶結(jié)構(gòu)甚至熔毀;而低分辨的TEM、直接成像、表面探針等技術(shù)獲得的信息又十分有限。在這篇Science論文中,崔屹教授等受“冷凍電鏡可以獲得脆弱的生物大分子原子級(jí)別結(jié)構(gòu)”的啟發(fā),創(chuàng)造性地將冷凍電鏡技術(shù)引入到了敏感性電池材料和界面精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究中,克服了電池材料冷凍制樣的種種難題,首次獲得了鋰枝晶原子分辨率級(jí)別的結(jié)構(gòu)圖像。結(jié)果顯示,冷凍電鏡技術(shù)完整地保留了枝晶的原始形貌及相關(guān)結(jié)構(gòu)、化學(xué)信息,在持續(xù)10min的電子束轟擊下仍然保持完好。高分辨的Cryo-EM照片表明鋰枝晶是呈長(zhǎng)條狀的完美六面晶體,完全迥異于傳統(tǒng)電鏡觀察到的不規(guī)則形狀;而其生長(zhǎng)行為顯示其有明顯的<111>優(yōu)先取向,生長(zhǎng)過(guò)程中可能發(fā)生“拐彎”,但是并沒(méi)有形成晶體缺陷,不影響其完美晶體結(jié)構(gòu)。另外,研究結(jié)果還包含固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)的組成與結(jié)構(gòu)。崔屹教授表示,研究結(jié)果十分令人興奮,證明了Cryo-EM可以有效地對(duì)那些脆弱、不穩(wěn)定的電池材料進(jìn)行高分辨率表征,例如鋰硅、硫等,并且保持它們?cè)谡鎸?shí)電池中的原始狀態(tài)。
圖7 通過(guò)Cryo-EM保存和穩(wěn)定鋰金屬
小編在查閱文獻(xiàn)過(guò)程中,也發(fā)現(xiàn)了另一篇采用Cryo-EM研究鋰電池的論文“New Insights on the Structure of Electrochemically Deposited Lithium Metal and Its Solid Electrolyte Interphases via Cryogenic TEM”,由美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校(UCSD)的孟穎教授(Ying Shirley Meng)等人發(fā)表在Nano Lett.上,發(fā)表時(shí)間為2017年11月1日,在線發(fā)表僅比崔教授的Science大作晚4天。文章[9]同樣是采取了冷凍電鏡技術(shù)穩(wěn)定了電化學(xué)沉積的活潑的鋰金屬,同時(shí)減少電子束帶來(lái)的損傷,然后對(duì)其納米結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成以及固態(tài)電解質(zhì)界面進(jìn)行了研究。可以說(shuō)和崔屹教授異曲同工,證明了Cryo-EM是研究對(duì)電子束、熱敏感的電池材料強(qiáng)有力的工具,能夠從最基礎(chǔ)的層面獲得相關(guān)信息。
圖8 Cryo-EM用于電沉積Li金屬的研究
除了上述兩篇將Cryo-EM用于鋰電池中敏感電池材料及SEI研究的論文外,就小編有限的認(rèn)知,可能在有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料、某些高分子材料、水凝膠、量子點(diǎn)等精細(xì)結(jié)構(gòu)、中間態(tài)的表征中,Cryo-EM將具有的優(yōu)勢(shì)也是不言而喻的。可以預(yù)見(jiàn),不久的將來(lái),這些對(duì)電子束、熱敏感的活潑材料的原子級(jí)別的表征可能會(huì)是Cryo-EM在材料領(lǐng)域應(yīng)用的潛力方向。
4. 總結(jié)
2017年10月4日,諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)一公布就引起了朋友圈的瘋狂調(diào)侃,認(rèn)為:冷凍電鏡是授予物理學(xué)家的化學(xué)獎(jiǎng)以獎(jiǎng)勵(lì)他們對(duì)生物領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn),讓眾多化學(xué)汪深以為然。現(xiàn)在,崔屹教授的Science論文和孟穎教授的Nano Lett.論文終于讓這個(gè)化學(xué)獎(jiǎng)多了一些化學(xué)的意思了。這種隔壁生物家的孩子“跨界”材料圈完成的令人興奮的工作已經(jīng)隱隱有撬動(dòng)材料學(xué)相關(guān)研究的苗頭了。小編相信,這項(xiàng)引領(lǐng)生物化學(xué)研究進(jìn)入新時(shí)代的技術(shù),攪動(dòng)我大材料江湖也是指日可期!
審核編輯:符乾江
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