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前沿生物医学电子显微技术的发展态势与战略分析 被引量:4
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作者 陶长路 张兴 +3 位作者 韩华 梁文锡 赵经纬 毕国强 《中国科学:生命科学》 CSCD 北大核心 2020年第11期1176-1191,共16页
电子显微成像技术(简称电镜)因其超高分辨能力,成为人类认识微观世界的最主要技术手段之一,并广泛应用于生物医学研究领域.随着物理、生物、信息等多学科技术的发展和融合,电子显微镜在分辨率、成像尺度和自动化等多个方面不断取得突破... 电子显微成像技术(简称电镜)因其超高分辨能力,成为人类认识微观世界的最主要技术手段之一,并广泛应用于生物医学研究领域.随着物理、生物、信息等多学科技术的发展和融合,电子显微镜在分辨率、成像尺度和自动化等多个方面不断取得突破,特别是冷冻制样技术和直接电子探测相机的发展使得冷冻电镜技术能够直接解析生物大分子的原子分辨率三维结构.另一方面,对生命活动过程的研究往往跨越多个时空尺度,甚至需要追踪生物事件发生的动态过程,这就要求研究手段在分辨率、原位成像、动态、多尺度、多模态、高特异性和高通量等特性上不断拓展.针对这些需求,生物医学电镜及相关技术的主要发展方向包括:(ⅰ)高分辨冷冻电镜技术,通过更精确的三维重构理论和电子光学成像技术进一步提高信噪比和分辨率,实现对更大、更小生物分子的原子分辨率结构解析;(ⅱ)基于冷冻电子断层三维重构的多模态成像技术,通过更优化的冷冻制样减薄技术、亚区域三维重建技术等,实现对组织与细胞中蛋白质等大分子复合物的结构与相互作用的原位解析,并通过与光学成像的动态性与特异性的有效整合,实现结构与功能研究的结合;(ⅲ)大尺度三维重建的体电子显微成像技术,通过优化样品制备、成像及分析,实现整个流程的高通量系统集成,从而进行脑联结组等生物结构的图谱重建;(ⅳ)具有飞秒量级时间分辨的超快电镜技术,通过进一步发展脉冲电子源、液相样品室等,将为蛋白质分子异构、生物组织与纳米材料的物理化学相互作用等动态过程研究提供新的观测工具;(ⅴ)大数据存储和处理技术与基于人工智能的图像处理方法,将进一步推动海量电镜数据的快速、高效、自动化的处理与分析.本文重点评述了以上技术方向的发展趋势、所面临的瓶颈问题以及 展开更多
关键词 电子显微成像技术 冷冻电镜技术 冷冻电子断层三维重建技术 光电关联显微成像技术 体电子显微成像技术 超快电镜技术 大数据与人工智能
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荧光导航冷冻聚焦离子束减薄技术的研究进展
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作者 李尉兴 卢婧 +1 位作者 肖珂 纪伟 《中国激光》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第21期28-41,共14页
细胞超微结构的原位解析是当前的一个研究热点。冷冻电子断层扫描成像技术(cryo-ET)是目前细胞原位结构解析的核心技术。cryo-ET只能对厚度小于300 nm的样品进行成像,因此利用cryo-ET研究细胞超微结构时首先需要对细胞进行减薄。聚焦离... 细胞超微结构的原位解析是当前的一个研究热点。冷冻电子断层扫描成像技术(cryo-ET)是目前细胞原位结构解析的核心技术。cryo-ET只能对厚度小于300 nm的样品进行成像,因此利用cryo-ET研究细胞超微结构时首先需要对细胞进行减薄。聚焦离子束(FIB)切割是目前冷冻生物样品减薄的主流技术。传统FIB切割只能在细胞的任意位置上进行“盲切”,无法对细胞内部特定研究目标进行定点切割。光电融合成像技术(CLEM)恰可解决这一问题。CLEM利用荧光成像技术识别并定位研究目标,通过光电图像的关联匹配,可在FIB图像中确定荧光目标的位置,进而指导FIB的定点减薄。针对荧光导航cryo-FIB减薄的相关技术方法、仪器设备和工作流程进行了梳理,分析对比了主流方案的优缺点,旨在帮助研究者选择出合适的荧光导航FIB减薄方案,并对该技术的未来发展方向进行了展望。 展开更多
关键词 生物医学 冷冻电子断层扫描成像技术 扫描电镜 荧光成像技术 快速冷冻 聚焦离子束减薄 光电融合成像技术
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冷冻电镜含水切片技术观察胰岛β细胞的三维超微结构
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作者 王培 冯凤萍 +2 位作者 董宜君 李霞 薛艳红 《电子显微学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第2期186-191,共6页
冷冻电镜含水切片技术(CEMOVIS)作为冷冻厚生物样品制备技术,对高压冷冻的样品直接进行冷冻切片,能够获得完全含水状态的生物样品的超微结构,更好地反映出细胞接近其生理条件的真实状态。本文应用冷冻含水切片技术结合冷冻电子断层扫描... 冷冻电镜含水切片技术(CEMOVIS)作为冷冻厚生物样品制备技术,对高压冷冻的样品直接进行冷冻切片,能够获得完全含水状态的生物样品的超微结构,更好地反映出细胞接近其生理条件的真实状态。本文应用冷冻含水切片技术结合冷冻电子断层扫描和三维重构技术观察到了小鼠胰岛β细胞内细胞器的高分辨超微结构。 展开更多
关键词 高压冷冻 冷冻含水切片 胰岛Β细胞 冷冻电子断层扫描 三维重构 超微结构
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原位冷冻电子断层扫描的发展及在生物研究方面的应用 被引量:4
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作者 赵关芳 邹天一 +3 位作者 程思航 于洋 王慧利 王宏达 《高等学校化学学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第11期2335-2344,共10页
对生物大分子复合物的研究和结构分析对于全面了解其功能和生物学意义至关重要.冷冻电子显微镜在提供生物大分子结构及大分子分布等方面起到重要的作用.近年来,冷冻电子显微镜的硬件和软件的发展进一步提高了冷冻电子显微镜的有效性,使... 对生物大分子复合物的研究和结构分析对于全面了解其功能和生物学意义至关重要.冷冻电子显微镜在提供生物大分子结构及大分子分布等方面起到重要的作用.近年来,冷冻电子显微镜的硬件和软件的发展进一步提高了冷冻电子显微镜的有效性,使其对各种生物结构、蛋白质结构的解析更加准确快捷.但是,对于生物系统来说,蛋白质和大分子复合物等均处于复杂的生理环境中,因此原位检测生物分子的三维结构对于生物体系和结构生物学具有重要意义.冷冻电子断层扫描作为一种功能强大的技术,可以无需标记直接通过冷冻样品的固有衬度识别生物大分子的结构,并且可在原位生理环境中对生物分子进行纳米级分辨率的三维成像.本文综述了与冷冻电子断层扫描相关的样品制备和数据处理技术,并总结了冷冻电子断层扫描技术在分离的大分子复合物和整个细胞或组织中的生物学应用. 展开更多
关键词 生物大分子复合物 冷冻电子断层扫描 原位 生物学应用
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膜蛋白电镜结构检测的研究进展 被引量:3
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作者 袁青宁 雷长海 杨勇骥 《电子显微学报》 CAS CSCD 2015年第2期149-153,共5页
膜蛋白是生物蛋白家族的重要组成部分,由于膜蛋白所处的特殊的空间位置,对膜蛋白结构和功能的研究越来越多。单颗粒研究方法和冷冻断层方法是利用电子显微镜结构解析研究膜蛋白结构的两种主要方法。近些年以来,由于数据处理能力以及制... 膜蛋白是生物蛋白家族的重要组成部分,由于膜蛋白所处的特殊的空间位置,对膜蛋白结构和功能的研究越来越多。单颗粒研究方法和冷冻断层方法是利用电子显微镜结构解析研究膜蛋白结构的两种主要方法。近些年以来,由于数据处理能力以及制样技术的迅速进步,膜蛋白的电镜结构研究已经取得了巨大的进展。本文主要对膜蛋白结构研究方法中的冷冻断层成像技术和单颗粒研究方法作了一个简单的介绍。 展开更多
关键词 膜蛋白 三维重构 单颗粒方法 冷冻断层方法
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一种冷冻电子断层三维重构的并行迭代算法 被引量:2
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作者 万晓华 张法 刘志勇 《微电子学与计算机》 CSCD 北大核心 2009年第8期101-103,107,共4页
迭代重构算法是当前解决冷冻电子断层三维重构问题的有效算法,但其海量计算需求限制了其广泛应用.提出了一种冷冻电子断层三维重构的并行迭代算法,在曙光4000H高性能计算机上的实验结果表明并行迭代算法不仅能够获得较好的加速性能,而... 迭代重构算法是当前解决冷冻电子断层三维重构问题的有效算法,但其海量计算需求限制了其广泛应用.提出了一种冷冻电子断层三维重构的并行迭代算法,在曙光4000H高性能计算机上的实验结果表明并行迭代算法不仅能够获得较好的加速性能,而且能够有效提高重构结果的精度. 展开更多
关键词 冷冻电子断层 迭代算法 并行计算
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新冠病毒感染机制的透射电镜研究评述 被引量:1
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作者 陈勇 张俊霞 +1 位作者 江轶 李赛 《实验技术与管理》 CAS 北大核心 2021年第12期1-9,47,共10页
对冠状病毒本身及病毒-宿主相互作用的研究随着透射电镜技术的发展而逐步深入。利用透射电镜技术,在新型冠状病毒的形态特征与感染机制研究中已取得了一系列重要成果,包括全病毒的三维结构、病毒在细胞内复制与组装的原位信息、病毒与... 对冠状病毒本身及病毒-宿主相互作用的研究随着透射电镜技术的发展而逐步深入。利用透射电镜技术,在新型冠状病毒的形态特征与感染机制研究中已取得了一系列重要成果,包括全病毒的三维结构、病毒在细胞内复制与组装的原位信息、病毒与宿主分子水平的互作机制等。该文从新型冠状病毒的结构蛋白与非结构蛋白两方面介绍了透射电镜技术在病毒结构研究中的进展,以及为药物和疫苗研发提供的启示。 展开更多
关键词 新型冠状病毒 透射电镜 冷冻电镜断层成像 冷冻电镜单颗粒技术 感染机制
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A simulated annealing approach for resolution guided homogeneous cryo-electron microscopy image selection
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作者 Jie Shi Xiangrui Zeng +2 位作者 Rui Jiang Tao Jiang Min Xu 《Quantitative Biology》 CAS CSCD 2020年第1期51-63,共13页
Background:Cryo-electron microscopy(Cryo-EM)and tomography(Cryo-ET)have emerged as important imaging techniques for studying structures of macromolecular complexes.In 3D reconstruction of large macromolecular complexe... Background:Cryo-electron microscopy(Cryo-EM)and tomography(Cryo-ET)have emerged as important imaging techniques for studying structures of macromolecular complexes.In 3D reconstruction of large macromolecular complexes,many 2D projection images of macromolecular complex particles are usually acquired with low signal-tonoise ratio.Therefore,it is meaningful to select multiple images containing the same structure with identical orientation.The selected images are averaged to produce a higher-quality representation of the underlying structure with improved resolution.Existing approaches of selecting such images have limited accuracy and speed.Methods:We propose a simulated annealing-based algorithm(SA)to pick the homogeneous image set with best average.Its performance is compared with two baseline methods based on both 2D and 3D datasets.When tested on simulated and experimental 3D Cryo-ET images of Ribosome complex,SA sometimes stopped at a local optimal solution.Restarting is applied to settle this difficulty and significantly improved the performance of SA on 3D datasets.Results:Experimented on simulated and experimental 2D Cryo-EM images of Ribosome complex datasets respectively with SNR=10 and SNR=0.5,our method achieved better accuracy in terms of F-measure,resolution score,and time cost than two baseline methods.Additionally,SA shows its superiority when the proportion of homogeneous images decreases.Conclusions:SA is introduced for homogeneous image selection to realize higher accuracy with faster processing speed.Experiments on both simulated and real 2D Cryo-EM and 3D Cryo-ET images demonstrated that SA achieved expressively better performance.This approach serves as an important step for improving the resolution of structural recovery of macromolecular complexes captured by Cryo-EM and Cryo-ET. 展开更多
关键词 simulated ANNEALING image AVERAGING cryo-electron microscopy cryo-electron tomography
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基于冷冻透射电镜电子断层扫描技术对适用于原位解析真核细胞核糖体结构的样品厚度研究
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作者 朱刘琪 李霞 《电子显微学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第6期711-718,共8页
目的:基于冷冻透射电镜电子断层成像和子断层平均技术,比较不同厚度样本中原位解析的核糖体超微结构分辨率,探究样品厚度与颗粒数量对解析原位结构分辨率的影响。方法:通过300 kV冷冻透射电镜对快速冷冻制备的PC12^(+)细胞样本进行连续... 目的:基于冷冻透射电镜电子断层成像和子断层平均技术,比较不同厚度样本中原位解析的核糖体超微结构分辨率,探究样品厚度与颗粒数量对解析原位结构分辨率的影响。方法:通过300 kV冷冻透射电镜对快速冷冻制备的PC12^(+)细胞样本进行连续断层扫描和三维重构,根据三维重构后的神经膨起厚度分为四组(100^(+)nm、200^(+)nm、300^(+)nm和400^(+)nm),采用EMAN2.3实现核糖体在胞内的可视化、数量分布与类型表征。用子断层平均重构技术计算各组核糖体分辨率,并采用Chimera软件对核糖体结构进行模型拟合。结果:各组间以200^(+)nm核糖体颗粒分辨率最高,达到1.67 nm(11781个颗粒)和1.78 nm(6000个颗粒),100^(+)nm组其次。研究还发现,在400 nm样品厚度范围内,核糖体颗粒数量越多,解析出的核糖体结构分辨率越高。结论:对于经NGF诱导分化的PC12^(+)细胞膨起来说,<400 nm厚度的断层扫描数据均可用于核糖体结构的原位高分辨解析,且以200~300 nm最为合适。 展开更多
关键词 PC12^(+) 细胞 核糖体 冷冻透射电镜电子断层成像 子断层平均技术 样品厚度
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冷冻电子断层成像研究沙眼衣原体被膜变化
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作者 陈木开 黄曾慰 +1 位作者 张勤奋 韩建德 《皮肤性病诊疗学杂志》 2011年第1期11-15,共5页
目的:用冷冻电子断层成像观察衣原体及其生活周期中膜结构的变化。方法:运用冷冻电子断层成像技术对沙眼衣原体进行三维重构。结果:冷冻电子断层成像技术很好地揭示了沙眼衣原体的结构细节,特别是在膜结构方面,取得了远优于传统电镜超... 目的:用冷冻电子断层成像观察衣原体及其生活周期中膜结构的变化。方法:运用冷冻电子断层成像技术对沙眼衣原体进行三维重构。结果:冷冻电子断层成像技术很好地揭示了沙眼衣原体的结构细节,特别是在膜结构方面,取得了远优于传统电镜超薄切片技术的保存效果。研究还发现了原体(EB)的外膜厚度达到近似于始体(RB)外膜厚度的两倍。结论:冷冻电子断层成像技术比以往的研究更清晰地揭示了沙眼衣原体膜的基本形态、结构细节。外膜厚度的改变是RB向EB转化过程中值得关注的变化。 展开更多
关键词 冷冻电子断层成像 沙眼衣原体 外膜 内膜
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综述:核小体液-液相分离中早期形核过程的分子结构
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作者 张蒙 薛涵 +1 位作者 刘建方 任罡 《电子显微学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第1期114-127,共14页
研究揭示,核小体阵列在体外具有液-液相分离(liquid⁃liquid phase separation,LLPS)的内在特性,被认为在体内引导染色质区域的结构变化。然而,对于形成的异质凝聚物在分子水平的结构研究,长期以来受到技术限制,从而阻碍了研究人员对核... 研究揭示,核小体阵列在体外具有液-液相分离(liquid⁃liquid phase separation,LLPS)的内在特性,被认为在体内引导染色质区域的结构变化。然而,对于形成的异质凝聚物在分子水平的结构研究,长期以来受到技术限制,从而阻碍了研究人员对核小体液-液相分离的深入理解。为了解决这一难题,张蒙等运用先进的冷冻电子断层扫描技术(Cryo⁃electron tomography,Cryo⁃ET)、结合单分子电子断层重构(individual⁃particle electron tomography,IPET)和基于深度学习的分割技术,确定了液-液相分离在不同阶段的凝聚物的分子组织结构。该研究揭示,核小体的液-液相分离过程涉及到两个主要步骤:首先,旋节分解形成不规则的凝聚物;然后,这些凝聚物经过一个不稳定的过渡阶段,转化为更紧凑的球状核,进一步通过聚集更多旋节材料或与其它球状凝聚物的融合,逐渐形成更大的球状聚集体。此外,连接组蛋白H1催化旋节向球状凝聚物转变的速率,比旋节分解速度快出十倍以上。因此,推测这种转变可能涉及到核小体疏水表面的暴露,进而改变了核小体之间的相互作用。这些发现为染色质从间期结构向中期结构转变提供了新的物理机制线索。 展开更多
关键词 核小体 核小体阵列 液-液相分离 凝聚物 旋节分解 成核和生长 组蛋白H1 染色质 非平均的单分子结构测定 冷冻电子断层扫描 单分子结构重构法
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