近日，Structure在線發表了中國科學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）。該研究發現了晶態冰包埋的冷凍電鏡樣品會產生收縮形變，且形變隨降溫速率的增加而減少，并從晶態冰形成的降溫速率出發發展了新型的無收縮形變的立方晶系晶態冰樣品制備方法。該工作發現結構無損的立方晶系晶態冰樣品不僅消除了電子束誘導的快速漂移現象，而且顯示出明顯優于普通冷凍電鏡玻璃態冰樣品的數據質量，進一步為冷凍電鏡實現原子分辨率奠定了基礎。
大量實驗數據證明，低降溫速率制備的冷凍電鏡樣品有助于恢復數據采集時樣品的束誘導漂移，但降溫速率過低經常導致晶態冰的形成。傳統認為晶態冰在生物樣品冷凍過程中會對其結構造成破壞，故在冷凍電鏡樣品制備過程中一直避免使用。晶態冰的形成具體對蛋白質產生了什么破壞尚不清楚。
課題組系統性地將蛋白質在不同條件下包埋在晶態冰中，并通過冷凍電鏡技術解析了晶態冰中的蛋白質三維結構。研究發現，在低降溫速率形成的晶態冰中，蛋白質結構會產生收縮形變（圖a），且收縮量和蛋白質本身性質相關，越為剛性的蛋白質收縮量越小。另外，在一些蛋白質柔性區域，低降溫速率晶態冰中的蛋白質存在密度畸變的問題（圖a）。同時，二者隨著晶態冰降溫速率的增加顯著變小，甚至無法探測（圖b）。基于上述發現，研究發展了結構無損的立方晶系晶態冰樣品的制備方法。通過該方法制備得到的晶態冰樣品，其三維重構和玻璃態冰樣品一致，不會對蛋白質結構造成可檢測的破壞，且成像質量顯著提高，不僅沒有束誘導漂移（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-鐵蛋白晶態冰樣品的B因子顯著好于玻璃態冰樣品。此外，在醛縮酶和谷氨酸脫氫酶上B因子也獲得顯著提升。
冷凍電鏡晶態冰樣品性質。a、與玻璃態病毒樣顆粒（VLP）樣品（粉色）相比晶態冰樣品（綠色）產生收縮形變，且嚴重形變時密度圖出現斷裂。b、提高降溫速率，晶態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，晶態冰樣品恢復束誘導的快速漂移，前幾幀樣品分辨率明顯恢復。d、B因子曲線斜率越大代表數據質量越好。與玻璃態冰樣品（藍色）相比，人源去鐵-鐵蛋白晶態冰樣品（紅色）有更好的B因子，展現出更高的數據質量。
