仅需十分之一成本的冷冻电子显微镜新设计使任何实验室都能使用复杂的分子成像

MEDICAL RESEARCH COUNCIL LABORATORY OF MOLECULAR BIOLOGY

在过去的十年里，冷冻电子显微镜（cryoEM，https://spectrum.ieee.org/covid19-aeronabs）已经成为确定复杂分子详细结构的强大工具。现在，英国医学研究委员会分子生物学实验室（MRC-LMB，Medical Research Council’s Laboratory of Molecular Biology）的研究人员及其合作者的一项新设计表明可以将冷冻电镜的成本降低90%。这可能会使生物学和材料科学的结构研究变得触手可及，研究人员目前必须将样本发送给地区中心或富裕组织的同事。

在低温电子显微镜中，100千电子伏至300千电子伏之间的电子束穿过样品——一组分离并固定在厚度不到60纳米的超薄冰层中的单分子（平均直径为5至40纳米）。该束可以产生传统的透射电子显微照片（TEM，https://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_electron_microscopy）图像，但不需要额外的TEM染色或聚合物固定步骤。低温电子显微镜的极低温度减少了样品和稳定介质中的热运动，同时减少了电子束对样品的损伤。结果显示：CryoEM可以产生衍射图案，产生复杂分子的逐原子结构，这种分辨率在室温下是不可能的。

研究人员拍摄了数百张显微照片，覆盖了数万个不同方向的单个分子。他们将显微照片结合起来，构建出高分辨率（约0.3纳米）的3D图片。

Nature Methods将cryoEM命名为“2015年度方法（https://www.nature.com/articles/nmeth.3730）”。2017年诺贝尔化学奖（https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2017/summary/）授予了洛桑大学的Jacques Dubochet、哥伦比亚大学的Joachim Frank和MRC-LMB的Richard Henderson。自那以后，cryoEM的应用激增。

然而，传统的冷冻电镜是昂贵的。一台发射300keV电子束的高端仪器的购买成本至少为500万美元。建造支撑和安置机器的设施可能会再次花费同样多的费用。另外每天的运营还要花费数千美元。

相比之下，MRC-LMB的研究人员只花了50万美元就建造了他们的新冷冻电子显微镜，MRC-MMB的研究者Christopher Russo如此表示，他是11月27日发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS，Proceedings of the National Academy of Sciences）上的一篇详细介绍这项工作的论文（https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2312905120）的作者之一。商用100keV显微镜的总零售成本最终可能会略高。

Russo说：“这可能是因为一旦仪器与服务合同一起被打包，它可能就会变得更多。但希望最终可以低于100万美元，这将使单个团体和标准设备拨款获取更容易……我们正在与所有显微镜制造商进行讨论，鼓励他们按照这个原型将产品商业化。”

与此同时，Russo说，“人们可以用相同的零件组合来制作一台显微镜，甚至可以将合适的旧显微镜升级。但我们预计大多数人更愿意购买一台组装好并安装好的新显微镜。”

十一种复杂生物分子

Russo和同事们用显微镜制作了11种复杂生物分子的3D分子结构。MRC-LMB系统还不具有300keV系统的分辨率；根据美国国家科学院院刊的论文，一台顶级商用机器的分辨率比100keV的原型高出10%至25%，但Russo和他的同事们对他们能够缩小差距持乐观态度。

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即便如此，价格合理的100keV低温电子显微镜也有其自身的几个优势。在电子束的损坏使样品无法使用之前，扫描会产生更有用的结构信息。这意味着研究人员可以对样本进行更多的扫描，以建立高分辨率的图像。现场冷冻电镜消除了运送样本、等待样本运行、等待发现样本不可读以及等待结果的延迟。研究人员在论文中写道，这将“标本制备、优化和数据收集之间的循环缩短到数小时，而不是数天或数周”。他们说，有了自动化的样品处理和更大的探测器，收集用于确定原子结构的数据最终可能只需要几分钟。

一些项目之外的研究人员喜欢低成本冷冻电镜的机会。Ed Eng管理纽约结构生物学中心的国家冷冻电镜获取和培训中心，该中心是美国三个国家冷冻电镜中心之一，Jason de la Cruz管理纽约市斯隆-凯特琳研究所的冷冻电镜设施。他们一致认为，MRC-LMB将冷冻电镜成本降低一个数量级的目标是可信的，他们支持这一努力。

Eng和de la Cruz在一封电子邮件中写道：“如果使用100keV电子进行单粒子分析（SPA）被证明优于高端机器上的SPA数据收集，那么SPA未来可能会转向100kV[显微镜]，留下专门用于厚样品、冷冻电子断层扫描和[微晶电子衍射]的高kV示波器。”

De la Cruz指出，“这一创新也为低温EM显微镜和探测器制造商带来了急需的竞争的可能性。在过去十年中，Thermo Fisher Scientific公司凭借其仪器主导了低温EM领域；然而，这一发展可能会刺激传统EM制造商，如JEOL Ltd.和Hitachi High-Tech Corporation，开发他们自己的低keV低温cryoEM TEMS。”

Eng补充道，“对于结构研究，100keV仪器将对低资源机构产生广泛影响，并为这些科学家提供一条可行的途径，使他们能够在研究项目中可持续地使用冷冻电镜。”