近日，Structure在線發(fā)表了中國科學(xué)院生物物理研究所章新政課題組完成的研究論文（Addressing Compressive Deformation of Proteins Embedded in Crystalline Ice）。該研究發(fā)現(xiàn)了晶態(tài)冰包埋的冷凍電鏡樣品會產(chǎn)生收縮形變，且形變隨降溫速率的增加而減少，并從晶態(tài)冰形成的降溫速率出發(fā)發(fā)展了新型的無收縮形變的立方晶系晶態(tài)冰樣品制備方法。該工作發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)無損的立方晶系晶態(tài)冰樣品不僅消除了電子束誘導(dǎo)的快速漂移現(xiàn)象，而且顯示出明顯優(yōu)于普通冷凍電鏡玻璃態(tài)冰樣品的數(shù)據(jù)質(zhì)量，進(jìn)一步為冷凍電鏡實(shí)現(xiàn)原子分辨率奠定了基礎(chǔ)。

大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，低降溫速率制備的冷凍電鏡樣品有助于恢復(fù)數(shù)據(jù)采集時樣品的束誘導(dǎo)漂移，但降溫速率過低經(jīng)常導(dǎo)致晶態(tài)冰的形成。傳統(tǒng)認(rèn)為晶態(tài)冰在生物樣品冷凍過程中會對其結(jié)構(gòu)造成破壞，故在冷凍電鏡樣品制備過程中一直避免使用。晶態(tài)冰的形成具體對蛋白質(zhì)產(chǎn)生了什么破壞尚不清楚。

課題組系統(tǒng)性地將蛋白質(zhì)在不同條件下包埋在晶態(tài)冰中，并通過冷凍電鏡技術(shù)解析了晶態(tài)冰中的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，在低降溫速率形成的晶態(tài)冰中，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生收縮形變（圖a），且收縮量和蛋白質(zhì)本身性質(zhì)相關(guān)，越為剛性的蛋白質(zhì)收縮量越小。另外，在一些蛋白質(zhì)柔性區(qū)域，低降溫速率晶態(tài)冰中的蛋白質(zhì)存在密度畸變的問題（圖a）。同時，二者隨著晶態(tài)冰降溫速率的增加顯著變小，甚至無法探測（圖b）。基于上述發(fā)現(xiàn)，研究發(fā)展了結(jié)構(gòu)無損的立方晶系晶態(tài)冰樣品的制備方法。通過該方法制備得到的晶態(tài)冰樣品，其三維重構(gòu)和玻璃態(tài)冰樣品一致，不會對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)造成可檢測的破壞，且成像質(zhì)量顯著提高，不僅沒有束誘導(dǎo)漂移（圖c），而且顯著提高蛋白樣品的分辨率。同樣條件下，B-因子反映了樣品的信噪比（圖d），人源去鐵-鐵蛋白晶態(tài)冰樣品的B因子顯著好于玻璃態(tài)冰樣品。此外，在醛縮酶和谷氨酸脫氫酶上B因子也獲得顯著提升。

冷凍電鏡晶態(tài)冰樣品性質(zhì)。a、與玻璃態(tài)病毒樣顆粒（VLP）樣品（粉色）相比晶態(tài)冰樣品（綠色）產(chǎn)生收縮形變，且嚴(yán)重形變時密度圖出現(xiàn)斷裂。b、提高降溫速率，晶態(tài)冰樣品的收縮形變減弱。c、在人源去鐵-鐵蛋白，醛縮酶和谷氨酸脫氫酶上，晶態(tài)冰樣品恢復(fù)束誘導(dǎo)的快速漂移，前幾幀樣品分辨率明顯恢復(fù)。d、B因子曲線斜率越大代表數(shù)據(jù)質(zhì)量越好。與玻璃態(tài)冰樣品（藍(lán)色）相比，人源去鐵-鐵蛋白晶態(tài)冰樣品（紅色）有更好的B因子，展現(xiàn)出更高的數(shù)據(jù)質(zhì)量。