“浙里”儀器共享好故事?|冷凍電鏡解析高分辨空間結構儀器共享揭開植物光合作用的面紗

2022-12-07 17:16 發布人：系統管理員

本期“浙里”儀器共享好故事，享博士帶領大家走進浙江大學冷凍電鏡中心，共同了解為多尺度、跨領域交叉學科的研究提供高水平成像技術支持的中心技術團隊，通過共享儀器，在生命科學領域取得突破性進展的故事。

視頻鏈接：

https://mpvideo.qpic.cn/0bc3kyaaaaaakaakq5mjqbrvavwdablaaaaa.f10002.mp4?dis_k=77fe149974a8f3b4ee8e595dfe047a44&dis_t=1670404586&vid=wxv_2690621842700779521&format_id=10002&support_redirect=0&mmversion=false

綠硫細菌樣品易變形

創新探索生物大分子結構與功能

冷凍電子顯微鏡，簡稱冷凍電鏡（Cryo-EM），起源于1931年發明的電子顯微鏡，直到20世紀70年代才出現第一代雛形。到了21世紀，冷凍電鏡技術應用于生物科學領域的探索，已被很多科學家所采納和使用。2017年的諾貝爾化學獎頒給了三位物理學家，表彰他們發展了冷凍電鏡技術，至此，冷凍電鏡成為了跨物理、化學和生物三界的明星。

浙江大學冷凍電鏡中心是2017年5月8日正式發文成立的浙江大學校級科研平臺，中心技術團隊有13位國內外教授以及實驗技術人員。冷凍電鏡中心配備包括Titan Krios 300kV、Talos F200C 200kV冷凍透射電鏡在內的一系列電子顯微鏡設備、光電關聯顯微成像設備、光刺激高壓冷凍設備、場發射掃描電子顯微鏡設備及各相配套的大數據計算系統。

浙江大學冷凍電鏡中心主任張興教授，曾任美國加利福尼亞大學洛杉磯分校電鏡中心技術主任，同時也是浙江大學求是特聘教授，帶領其團隊多年來深耕冷凍電鏡技術和生物大分子結構及功能，2020年11月20日，研究團隊在國際頂級雜志《科學》（Science）發表科研成果，率先解析了一種古老的光合細菌——綠硫細菌的光合反應中心空間結構。在研究過程中，張興團隊碰到了兩樁棘手的事情：一是綠硫細菌作為一種厭氧菌對周圍環境要求非?？量?，反應中心復合體在有氧條件下非常不穩定，低濃度的氧氣容易導致樣品變性，因此綠硫細菌反應中心的樣品制備極其困難；二是早期對于生物大分子結構的解析主要借助X射線晶體學完成，而這種方法需要較多的樣品，且對樣品的純度和均一度有很高的要求。雙重因素下，綠硫細菌反應中心的結構的解析變得困難重重。

【張興教授（右三）科研團隊】

冷凍電鏡“看清”古老光合細菌

揭開綠硫細菌光合反應中心的“廬山真面目”

/ 找儀器來浙里

在困難面前，張興團隊勇往直前，不懈努力。研究團隊首先利用入網至浙江省大型科研儀器開放共享平臺中的浙江大學冷凍電鏡中心的300kV冷凍電鏡配套設施完成冷凍樣品制備。在制備過程中，由于200kV冷凍電鏡電壓較低，襯度高，研究團隊用其進行快速篩選樣品。而300kV冷凍電鏡電壓高，分辨率高，研究團隊用其采集數據并進行解析高分辨結構，最終獲得2.7埃分辨率的三維結構，這使得研究團隊能從原子水平闡述光反應中心的作用機制。在冷凍電鏡的幫助下，研究團隊通過優化樣品制備的各環節，獲得了足夠的穩定蛋白樣品，收集了近萬張樣品顆粒的電子顯微鏡成像圖片，最終在世界上首次解析了綠硫細菌反應中心的結構，揭開了古老綠硫細菌反應中心的廬山真面目，成就了一個從源頭創新探索基本生命規律領域的新的標志性科研成果。

【綠硫細菌光合作用系統及內周捕光天線-反應中心復合體結構模型】

在此次深入探究綠硫細菌反應中心的過程中，冷凍電鏡技術發揮了重要作用。與常規的電鏡相比，冷凍電鏡技術包含冷凍制樣技術，冷凍轉移及保持技術和低劑量成像技術。冷凍電鏡利用液態乙烷快速冷凍含有水分的生物樣品，將樣品顆粒置于很薄的玻璃態冰層中。同時冷凍電鏡具有低溫保持系統，可使樣品始終處于液氮或者液氦溫度，減輕樣品在檢測過程中的電子輻射損傷程度，盡量保持樣品的原始結構。不僅如此，冷凍電鏡還配套了相應的低劑量成像模式，進一步減輕樣品在觀測過程中的輻射損傷程度，幫助研究人員更好地解析物質結構。

張興團隊綜合利用冷凍電鏡的快速篩樣和高分辨結構解析功能，助力諸如農學、藥學、醫學、生物學等學科中關鍵蛋白結構的解析。這不僅促進了相關學科發展的進步，同時也為農業生產發展、疾病診斷、藥物研發提供靶點結構信息。對于利用植物光合作用原理，探索改善體內缺氧環境，創新疾病的診治手段有重要的前瞻性意義。

【300kV冷凍透射電子顯微鏡展示圖】

【冷凍電鏡樣品制備、

數據收集及處理流程】

共享技術常態化

提升高端儀器利用率

/ 找儀器來浙里

近年來，冷凍電鏡技術發展迅速，與X射線晶體學、核磁共振一起構成了高分辨率結構生物學研究的基礎。冷凍電鏡技術使生物分子成像變得更加簡單，把生物化學帶入了一個新紀元。近年來，冷凍電鏡技術冷凍電鏡技術用途廣泛，幫助很多生物大分子復合物解析三維結構，在人工模擬光合作用、指導設計新型農作物、醫學診治技術創新等方面都具有重要的前瞻性意義。

很多研究領域取得的重大突破和驚人發現，都依賴于對科技資源和科學數據的全面準確掌握與深入挖掘分析。然而長期以來，儀器和科技資源布局分散，猶如珍珠一般散落在不同主體和不同環節，有效統籌不足、使用效率不高。截止2022年5月，全國有69臺300kV冷凍電鏡，其中浙江省內8臺。高價的儀器設施也讓許多科研院所和創新型企業望而卻步。

為了更好地幫助高校、科研院所及企業完成研究項目，浙江大學冷凍電鏡中心通過浙江省大型科研儀器開放共享平臺，提供共享儀器冷凍電鏡，提高冷凍電鏡的利用率，達到雙贏效果。作為浙江大學冷凍電鏡中心中當之無愧的 “勞模”，300kV冷凍電鏡每個月只有固定的96小時停機維護，其余時間無時無刻都在進行各種各樣的生物樣本結構數據采集。

“在儀器共享的幫助下，我們服務的對象地域分布更廣，專業領域涵蓋更多。生命醫學領域的結構和功能研究的飛速發展受益于30年來冷凍電鏡的發展和優化。在高分子、新能源材料等物質科學中的重大挑戰同樣可以受益于冷凍電鏡，但在很大程度上仍未被探索?？绯叨榷嗄B成像技術，可以在材料和物質研究等領域產生重大影響，取得突破性成果，解決諸如神經退行性疾病的發病機制、新冠病毒侵染機制、新能源材料的儲能和調控機制、無機物精準制造等基礎研究領域的重大科學問題，促進多學科交叉會聚，”冷凍電鏡中心主任張興教授說，“目前中心的優勢服務項目仍然圍繞著單顆粒三維重構技術，未來我們將在學校的支持下，購置尖端儀器：配備全球首臺單色球差積分差分成像冷凍電鏡和全國首臺多功能高通量冷凍聚焦離子束掃描電鏡，結合平臺已有設施和人才團隊，實現多學科、跨尺度的高分辨結構解析，彌補浙江大學現有的2臺冷凍透射電鏡僅可用于生命科學研究，無法滿足多學科冷凍超高分辨結構研究需求的不足。”

未來，浙江大學冷凍電鏡中心將發展尖端技術，包括重點發展并完善輻射敏感材料的原子分辨成像技術、冷凍電子斷層技術和冷凍大尺度三維電鏡技術，并結合學校人工智能學科優勢，開發具有浙大特色的高通量AI+圖像獲取和分析技術。同時助力尖端科研，實現在原位水平上解析生物大分子及輻射敏感物質材料的三維原子結構，實現細胞、生物大分子及各種特殊材料的跨尺度、多模態高分辨結構表征，助推浙大在生命科學、物質科學、農業科學、新能源材料等領域產出原創性成果。

【浙江大學冷凍電鏡中心】

【2019-2022年間支撐的突破性成果】

策劃：陳盼陳寧章瑋

文字：陳嘉琦許馳

圖片：楊雪斌浙江大學冷凍電鏡中心

視頻：楊雪斌

宣傳支持：浙江樹人學院馬妍妍團隊

本文轉載自“浙里大儀共享”公眾號

原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/8gtv94GvYNgRQjqxNYmM2w