僅需十分之一成本的冷凍電子顯微鏡新設(shè)計使任何實驗室都能使用復(fù)雜的分子成像

MEDICAL RESEARCH COUNCIL LABORATORY OF MOLECULAR BIOLOGY

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(fù)雜分子詳細(xì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大工具。現(xiàn)在，英國醫(yī)學(xué)研究委員會分子生物學(xué)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(shè)計表明可以將冷凍電鏡的成本降低90%。這可能會使生物學(xué)和材料科學(xué)的結(jié)構(gòu)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(yùn)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(fù)雜分子的逐原子結(jié)構(gòu)，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(gòu)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(xué)獎（https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2017/summary/）授予了洛桑大學(xué)的Jacques Dubochet、哥倫比亞大學(xué)的Joachim Frank和MRC-LMB的Richard Henderson。自那以后，cryoEM的應(yīng)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(jī)器的設(shè)施可能會再次花費(fèi)同樣多的費(fèi)用。另外每天的運(yùn)營還要花費(fèi)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(xué)院院刊》（PNAS，Proceedings of the National Academy of Sciences）上的一篇詳細(xì)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(wù)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(tuán)體和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備撥款獲取更容易……我們正在與所有顯微鏡制造商進(jìn)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(yù)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。”

十一種復(fù)雜生物分子

Russo和同事們用顯微鏡制作了11種復(fù)雜生物分子的3D分子結(jié)構(gòu)。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(xué)院院刊的論文，一臺頂級商用機(jī)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(gòu)信息。這意味著研究人員可以對樣本進(jìn)行更多的掃描，以建立高分辨率的圖像。現(xiàn)場冷凍電鏡消除了運(yùn)送樣本、等待樣本運(yùn)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(biāo)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(gòu)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(jī)會。Ed Eng管理紐約結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心的國家冷凍電鏡獲取和培訓(xùn)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(shè)施。他們一致認(rèn)為，MRC-LMB將冷凍電鏡成本降低一個數(shù)量級的目標(biāo)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(jìn)行單粒子分析（SPA）被證明優(yōu)于高端機(jī)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。”

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(dǎo)了低溫EM領(lǐng)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。”

Eng補(bǔ)充道，“對于結(jié)構(gòu)研究，100keV儀器將對低資源機(jī)構(gòu)產(chǎn)生廣泛影響，并為這些科學(xué)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。”