结构无损的高质量冷冻电镜晶态冰样品

　　

　　《Structure》杂志近期在线发表了中国科学院生物物理研究所章新政课题组的研究论文"Addressing Compressive Deformation of Proteins Embedded in Crystalline Ice"。 文章发现了晶态冰包埋的冷冻电镜样品会产生收缩形变，且形变随降温速率的增加而减少，并从晶态冰形成的降温速率出发成功发展了新型的无收缩形变的立方晶系晶态冰样品制备方法。研究发现结构无损的立方晶系晶态冰样品不仅消除了电子束诱导的快速漂移现象，还显示出明显优于普通冷冻电镜玻璃态冰样品的数据质量，进一步为冷冻电镜实现原子分辨率打下基础。

　　大量实验数据证明，低降温速率制备的冷冻电镜样品有助于恢复数据采集时样品的束诱导漂移，但降温速率过低经常导致晶态冰的形成。传统认为晶态冰在生物样品冷冻过程中会对其结构造成破坏，所以在冷冻电镜样品制备过程中一直避免使用。但晶态冰的形成具体对蛋白质产生了什么破坏一直无从得知。

　　在过去几年里，课题组系统性的将蛋白质在不同条件下包埋在晶态冰中，并通过冷冻电镜技术解析了晶态冰中的蛋白质三维结构。我们发现，在低降温速率形成的晶态冰中，蛋白质结构会产生收缩形变（图1a），收缩量和蛋白质本身性质相关，越为刚性的蛋白质收缩量越小。另外，在一些蛋白质柔性区域，低降温速率晶态冰中的蛋白质还存在密度畸变的问题（图1a）。且二者随着晶态冰降温速率的增加显著变小，甚至无法探测（图1b）。基于上述发现，我们发展了结构无损的立方晶系晶态冰样品的制备方法。通过该方法制备得到的晶态冰样品，其三维重构和玻璃态冰样品一致，不会对蛋白质结构造成可检测的破坏，且成像质量显著提高，不仅没有束诱导漂移（图1c），还显著提高蛋白样品的分辨率。同样条件下，B-因子反映了样品的信噪比，如图1d，人源去铁-铁蛋白晶态冰样品的B因子显著好于玻璃态冰样品。除此之外在醛缩酶和谷氨酸脱氢酶上B因子也获得了显著提升。

图1.冷冻电镜晶态冰样品性质。a. 和玻璃态病毒样颗粒（VLP）样品（粉色）相比晶态冰样品（绿色）产生收缩形变，且严重形变时密度图出现断裂。b. 提高降温速率，晶态冰样品的收缩形变减弱。c. 在人源去铁-铁蛋白，醛缩酶和谷氨酸脱氢酶上，晶态冰样品恢复束诱导的快速漂移，前几帧样品分辨率明显恢复。d. B因子曲线斜率越大代表数据质量越好。和玻璃态冰样品（蓝色）相比，人源去铁-铁蛋白晶态冰样品（红色）有更好的B因子，展现出更高的数据质量。

　　中国科学院生物物理研究所章新政研究员为本文的通讯作者，章新政课题组博士生石会刚和吴春玲为文章的共同第一作者。这项工作得到了国家自然基金，科技部重点研发计划，中国科学院战略性先导科技专项B类和中国科学院基础前沿科学研究计划的支持。

　　文章链接：https://doi.org/10.1016/j.str.2022.12.001

 

（供稿：章新政研究组）