什麼可能改變cryo-EM本身?——冷凍電子顯微鏡學新技術、新方法...

儀器信息網訊 　6月17日，第六屆全國冷凍電子顯微學與結構生物學專題研討會隆重召開，研討會由中國生物物理學會冷凍電子顯微學分會(以下簡稱：中國冷凍電鏡分會)主辦，北京大學承辦，中國電子顯微鏡學會低溫電鏡專業委員會協辦。下午，冷凍電子顯微鏡學新技術新方法專題報告會作為大會三大專題之一，在清華大學生命科學學院王宏偉教授和北京大學生命科學學院高寧教授聯合主持下，順利召開。本專題研討會圍繞「冷凍電子顯微鏡學新技術新方法」共安排了12個專題報告，報告內容涵蓋樣品製備、電鏡技術、數據處理等各個方面，吸引了來自中國大陸、中國香港、美國等地的400多名代表與會。

　　研討會現場

　　作為結構測定技術，X射線晶體學和冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)互為補充，隨著晶體學和冷凍電子顯微鏡解析度之間的差距不斷縮小，大分子複合物的cryo-EM圖可以作為解決高解析度結構晶體衍射相位問題的初始模型。香港大學郝權教授在報告《Using Cryo-EM maps for X-ray structure determination》中介紹了一種將X射線晶體學與低溫EM相結合的混合方法，用於確定結構。該方法的工作流程包括三個步驟：(1)Cryo-EM圖替換：通常應用FSEARCH找到Cryo-EM圖的正確翻譯和取向，並生成初始的低解析度圖。(2)相位擴展：使用Phenix.resolve進行NCS平均，將Cryo-EM圖計算的相位擴展到高解析度X射線數據。(3)構建模型： IPCAS通常用相位擴展映射方法生成初始模型，並通過迭代完成模型優化。郝權在報告中展示了一些應用實例。

　　郝權作《Using Cryo-EM maps for X-ray structure determination》報告，

　　如何從冷凍電鏡圖像中準確、自動挑選出數以百萬計的生物大分子顆粒圖像一直是冷凍電鏡領域需要解決的關鍵問題之一;深度學習技術能夠有效提高單顆粒圖像挑選的精度，然而由於顆粒圖像的高噪聲、訓練樣本不足等問題，基於深度學習的顆粒挑選工具在實際中存在諸多問題。中國科學院計算技術研究所張法副研究員在《基於深度分割網絡的冷凍電鏡顆粒圖像自動挑選方法》報告中首先介紹一種基於深度分割網絡的全自動冷凍電鏡顆粒圖像挑選算法，將圖像分割的思想應用到顆粒圖像挑選中，並且解決了訓練樣本不足的問題，實現了顆粒圖像的準確、高效、全自動挑選。

　　張法作《基於深度分割網絡的冷凍電鏡顆粒圖像自動挑選方法》報告

　　北京大學毛有東研究員在《All roads lead to ROME: from Cryo-EM imaging to complex dynamics》報告中首先提出一個問題： cryo-EM正在改變結構生物學。什麼可能改變cryo-EM本身? 毛有東提出，假設cryo-EM單粒子圖像的性質與非平衡統計力學開發的理論和方法相適配，非平衡統計力學中的原理和方法可能會進一步發展cryo-EM。報告介紹了他的小組中正在開發的幾種方法，這些方法試圖應用非平衡統計機理來推動cryo-EM發展，以用於分析原子級別的極端系統。

　　毛有東作《All roads lead to ROME: from Cryo-EM imaging to complex dynamics》報告

　　質子連接的單羧酸轉運蛋白(MCT)催化單羧酸鹽(例如丙酮酸鹽和乳酸鹽)跨質膜的有效轉運。該過程對細胞代謝，細胞間代謝傳遞和細胞內穩態至關重要。教授在《Cooperative transport mechanism of human monocarboxylate transporter 2 elucidated by Cryo-EM structure》報告中，葉升通過分析人單羧酸轉運蛋白2(MCT2)的丙酮酸轉運過程，顯示運輸活性對單羧酸鹽濃度的陡峭依賴性。MCT2的低溫電子顯微結構進一步表明，MCT2的濃度敏感性源於其運輸過程中的強亞基配合。該結構顯示出向內開放的空腔以及質子和單羧酸結合位點。

　　葉升作《Cooperative transport mechanism of human monocarboxylate transporter 2 elucidated by Cryo-EM structure》報告

　　此外，北京大學彭海琳教授作《Scalable fabrication of high-quality graphene grids for atomic-resolution EM》報告，分享了已經批量化生產的超純淨石墨烯載網及其技術特點;清華大學李雪明研究員作《Make MicroED an efficient tool for ultrahigh-resolution structural determination》報告，分享了利用低端120kV電鏡結合CCD相機的廉價方案用於解決有機物的超高解析度結構分析的思路和方法;湖南師範大學劉紅榮教授作《Symmetry-mismatch and local three-dimensional reconstruction of aquareovirus》;中國科學院生物物理研究所孫飛研究員的《Sample preparation techniques for in vitro and in situ Cryo-EM study》(朱平代為演講);中國科學院生物物理研究所章新政研究員作《High-quality, high-throughput Cryoelectron microscopy data collection via beam tilt and astigmatism-free beamimage shift》報告;清華大學陳柱成研究員作《Mechanism of ATP-dependent Chromatin Remodeling: 1bp at a time》報告。Thermo Fisher Scientific的Abhay Kotecha和Gatan的潘明分別介紹了各自公司在新技術、新方法方面的最新成果。