微结构生物学的手段：低温冷冻电子断层扫描技术
来源：摘自科学网孙学军博客
一种叫做冷冻电子断层扫描(cryo-ET)的技术制成的视频，可以让研究人员以高分辨率观察细胞中的蛋白质，比如细胞的内部运作和细胞内部的间隔，其细节之多前所未有。
近年来，诸如cryo-ET的成像技术已经开始使科学家能够看到自然环境中的生物分子，而在过去，单个蛋白质是从小生境中提取出来的。现今成像技术可以提供蛋白质和其它分子以及细胞景观的整体视图，当然仍有局限性，如分辨率太低，无法确定分子的身份。
加州理工学院的结构生物学家格兰特·詹森说，通过显微镜的每一次观察都是探索未知细胞地形的又一次机会。他说:“第一次看到一些东西绝对是一种巨大的快乐体验。”加州大学圣地亚哥分校的生物物理学家伊丽莎白·维拉(Elizabeth Villa)称她第一次用cryo-ET观察细胞结构时感觉自己“突然之间仿佛成了拥有前所未有权限的狗仔队。”
几十年来，研究人员一直依靠x射线晶体学技术来可视化蛋白质、病毒或其它生物实体。该方法包括诱导分子形成静态的、有序晶体的，然后用强x射线束轰击样品。由此发现了DNA的螺旋性质和超过10万种蛋白质的结构特征。不过，结晶分子方法困难，也无法断定一定成功准确。
利用低温电子显微镜(cryo-EM)克服了以往在显微技术上的一些缺点，可以揭示从周围环境中分离出来然后冷冻的生物分子的结构。起初时所产生的图像模糊，近几年来则由于样品制备和图像处理的进步明显提高了分辨率，足以显示单个原子(大约1.2Å或1.2 ×10-10m)。
从2013年开始，科学家们蜂拥而至，到目前为止已经解决了超过10000个生物分子的结构。在细胞膜中发现的蛋白质尤其令人感兴趣，因为其中许多蛋白质对了解疾病和开发药物都很重要。
这种技术不仅可以观察生物分子的细节，而且还可以观察细胞内部。和cryo-EM一样，cryo-ET需要电子显微镜，并依赖于一种被称为玻璃化的样品制备方法：快速冷却样品周围的水，使其冻结成玻璃状（而不是冰晶）。然而，与传统的低温电子显微镜(cryo-EM)不同的是，它需要提纯样本，以保障研究人员利用低温电子显微镜在原位捕获这些分子，即通过对许多不同构型的孤立分子拍摄2D照片，再经合并技术处理获得3D图像。与cryo-EM相比，cryo-ET可以从许多不同的角度对一大块充满分子的物质进行多次快照，这样就能保持样本周围环境的完整性。
由于cryo-ET像给一群人拍照而不是给一个人拍照一样，该项技术的先驱之一、德国马普生物化学研究所的生物物理学家沃尔夫冈·鲍迈斯特和他的同事们将其命名为“分子社会学”。。
每一种蛋白质都是与大约10种其他蛋白质在一起的微群聚物，当研究人员利用cryo-ET观察了整体性的相互作用后，有人竟表示“无法接受单独研究某一种蛋白质”。
电子断层摄影术的一个挑战是，电子流对生物样本的破坏性极大，这使得捕捉足够的快照以获得清晰图像而变得困难。为此，科学家们采用最新的样本切片过程和计算方法来锐化图片。例如，一种叫做冷冻聚焦离子束(冷冻fib)的技术可以将样品切割成极薄的薄片。
鲍迈斯特研究小组展示了cryo-ET的早期快照，其中包括盘基网柄菌(一种生活在土壤中的噬菌变形虫)细胞的快照，还有揭示了阿米巴细胞骨架的复杂蛋白质网络结构照（以前未见过），显示出了单个丝状体如何相互作用以及如何附着在盘基网柄细胞膜上的特定结构。
鲍迈斯特说:“你很难将生物功能或细胞功能分配给单个分子——这些功能来自于细胞景观中所有分子的相互作用。”
cryo-ET的早期工作大多是在原核生物（细菌等单细胞生物）上，这些细胞通常比真核生物复杂的细胞更小更薄。2006年，Jensen和他的团队报告了第一个驱动鞭毛(细菌中的鞭状附属物)的“发动机”完整结构。他们利用cryo-ET揭示了原始密螺旋体(一种在白蚁内脏中发现的细菌)中20片马达的结构，并详细说明了“马达组件”是如何在细菌膜中定位的。Jensen和他的同事还发现微生物利用细菌毛的毛突起可实现许多功能，比如附着在它们感染的细胞上并将物质分泌到细胞中。
随着对原核生物的了解，科学家们开始对真核细胞成像，真核细胞更像宫殿一般。由于低温纤维纤铣技术允许研究人员在将细胞置于电子显微镜下之前将其切薄，从而使可视化分子能看到人类细胞的细胞核附近的微排列状况，揭示以前从未见过的纳米细丝是如何为细胞核提供结构支持的。
LRRK2是一种与帕金森氏病有关的蛋白质，维拉和她的同事解析LRRK2的结构，显示了突变的蛋白质粘附在细胞骨架的组成部分——微管上，在微管周围形成双螺旋结构。
Baumeister等研究小组研究与神经生成疾病(如亨廷顿舞蹈症和运动神经元疾病即肌萎缩侧索硬化症)相关的蛋白质是如何与细胞器内质网相互作用的，他们发现，与疾病有关的神经毒性蛋白质团在细胞内的行为非常异常，例如，在亨廷顿氏舞蹈症中，一种被称为亨廷顿蛋白的突变型蛋白质的聚集似乎使内质网的组织混乱，而在肌萎缩侧索硬化症中，异常蛋白质的聚集好像是在激活其蛋白质降解机制而损害了细胞正常的生理生化。
科学家们希望通过观察药物如何作用于细胞内部的分子，来更好地理解治疗方法是如何工作的。核糖体是作为蛋白质工厂的细胞器，在细胞中无处不在，并且已经被很好地描述了，然而要对其成像是一项极其困难的任务，因为cryo-ET仍无法达到cryo-EM的原子级分辨率。