新型超级显微镜的创新

2016-04-06新闻资讯

 

显微镜(microscope)如今已经成为一种极为重要的科学仪器,广泛地用于生物学、化学、物理学、冶金学、酿造等各种科研活动中。据报道,科学家已经研究出新型电子显微镜,该显微镜能够观察到接近原子水平的线粒体核糖体(mitochondrial ribosome)的结构,在显微镜的发展史上具有里程碑的意义。

 

传统的电子显微镜(electron microscope,简称:电镜)是利用电子与物质作用所产生之讯号来监定微区域晶体结构,微细组织,化学成份,化学键结和电子分布情况的电子光学装置。常用的有透射电子显微镜和扫描电子显微镜。与光学显微镜相比电子显微镜用电子束代替了可见光,用电磁透镜代替了光学透镜并使用荧光屏将肉眼不可见电子束成像。

而最近英国分子生物学MRC实验室(MRC Laboratory of Molecular Biology)的科学家,他们使用单个粒子降临的cryo-EM研究酵母线粒体核糖体大亚单元的结构,0.32 nm分辨率能够使其在接近原子水平给出一个近乎完整的三维构型图像,其包括了39种蛋白质,其中有13中蛋白质是线粒体独有的,而且还有扩张的线粒体多糖体RNA(mitoribosomal RNA)片段。得到如此庞大的(3 MD即3-megadalton)生物机器近原子水平的图像,既不需要蛋白质结晶,也不需要广泛净化,所以这种分析方法被认为在电子显微镜发展史上具有里程碑意义。

超级显微镜下的植物细胞

这种核糖体在真核线粒体(eukaryotic mitochondria)中发现。它不同于酵母细胞质中的核糖体和其他真核生物细胞中的核糖体,也不同于细菌核糖体。由2009年诺贝尔化学奖得主万卡特拉曼.莱马克里斯南(Venkatraman Ramakrishnan)、托马斯.施泰茨(Thomas A. Steitz)和阿达?尤纳斯(Ada E. Yonath)曾经得到了核糖体三维X-射线晶体结构。新的分辨率在0.32nm的线粒体核糖体结构是由万卡特拉曼.莱马克里斯南等人合作完成。

传统的电子显微镜有许多缺点,比如:1.在电子显微镜中样本必须在真空中观察,因此无法观察活样本。随着技术的进步,环境扫描电镜将逐渐实现直接对活样本的观察;2.在处理样本时可能会产生样本本来没有的结构,这加剧了此后分析图像的难度;3.由于电子散射能力极强,容易发生二次衍射等;4.由于为三维物体的二维平面投影像,有时像不唯一;5.由于透射电子显微镜只能观察非常薄的样本,而有可能物质表面的结构与物质内部的结构不同;6.超薄样品(100纳米以下),制样过程复杂、困难,制样有损伤;7.电子束可能通过碰撞和加热破坏样本;

所以在某些时候,传统电子显微镜对原子级别生物样本有点束手无策,而英国分子生物学MRC实验室所发明的新型低温电子显微镜(cryo-EM)虽是结构生物学研究中的重要工具,但其潜力还未充分发挥出来。近期的技术进步大大提高了cryo-EM的分辨率,正在重振这一领域。在单粒子cryo-EM实验中,大分子集合体被冷冻在一层薄薄的冰中,并用电子显微镜成像。单个集合体的数千至数百万幅图像必须经过计算机比对和合并,以获得一个三维结构。并且与X射线晶体衍射相比,cryo-EM的一个明显优势就是不需要结晶,这大大拓宽了其研究领域,使生物大分子及其复合物的构象研究成为可能。 

目前许多行业领先的显微镜厂商都在跟进研发此类产品:奥林巴斯显微镜、尼康显微镜、蔡司显微镜、徕卡显微镜等都开始着手研发。国内的一些厂商如麦克奥迪motic、重光显微镜、澳浦显微镜等,也在外资的支持下开始了一系列的新型显微镜研发。

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转载自: http://www.shoif.com/news/1829/