電鏡演算法

① 冷凍電鏡是什麼為什麼能夠斬獲今年諾貝爾化學獎

在低溫下使用透螞明嘩射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術，就叫做冷凍電子顯微鏡技術，簡稱冷凍電鏡（cryo-electron micros， cryo-EM）。
冷凍電鏡是重要的結構生物學研究方法，它與另外兩種技術：X射線晶體學（X-ray crystallography）和核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）一起構成了悶行高解析度結構生物學研究的基礎，在獲得生物大分子的結構並揭示其功能方面極為重要。
冷凍電鏡並不是這兩年才建立的。在蛋白質X射線晶體學誕生大約10多年以後的1968年， 作為里程碑式的電鏡三維重構方法，同樣在劍橋MRC分子生物學實驗室誕生，Aron Klug教授因此獲得了1982年的諾貝爾化學獎。另一些突破性的技術在上世紀70年代和80年代中葉誕生，主要是冷凍成像和蛋白快速冷凍技術。
快速冷凍可以使蛋白質和所在的水溶液環境迅速從溶液態轉變為玻璃態，玻璃態能使蛋白質結構保持其天然結構狀態，如果以緩慢溫和的方式冷凍，這個過程會形成晶體冰，生物分子的結構將被晶格力徹底損壞。

低劑量冷凍成像能夠保存樣品的高解析度結構信息，確保了從電鏡圖形中解析蛋白質結構的可能槐搜性。與此同時，2017諾貝爾化學獎得主Joachim Frank等，則在電鏡圖像處理演算法方面奠定和發展了這項技術的理論基礎。由此冷凍電鏡的雛形基本建立，總的思路為：樣品冷凍（保持蛋白溶液態結構）——冷凍成像（獲取二維投影圖像）——三維重構（從二維圖像通過計算得到三維密度圖）。

根據諾貝爾獎評委會的說法，這項技術使生物分子成像變得更加簡單，將生物化學帶入了一個新紀元。

② 掃描電鏡的原理

掃描電鏡原理：所謂掃描是指在圖象上從左到右、從上到下依次對圖象象元掃掠的工作過程。
在電子掃描中,把電子束從左到右方向的掃扒蠢描運動叫做行掃描或稱作水平掃描,把電子束從上到下方向的掃描運動叫做幀掃描或稱作垂直掃描。
兩者的掃描速度完全不同,行掃描的速度比幀掃描的速度快,對於1000條線的掃描圖象來說,速度比為1000。
掃描電子顯微鏡桐滲是一種大型分局此脊析儀器,它廣泛應用於觀察各種固態物質的表面超微結構的形態和組成。

③ 冷凍電鏡是如何觀測到原子級別的生命結構的

冰是一種大家再熟悉不過的物質了。在一個大氣壓下，當水的溫度低於零度時，便會變成固態的冰。水分子在彼此之間的極性相互作用力(范德瓦爾斯力)之下，形成規則的排列形式，變成晶體狀態。這是我們生活中常見的冰的存在方式。冰晶的內部通常是極為純凈的，只有水分子存在，任何其他雜質都會在結晶的過程中被擠出晶體之外。當有較多其他雜質存在的情況下，通常會形成多晶伏亮。水結冰後體積還會發生膨脹，造成晶體之間相互擠壓。生物體內的水如果結冰，冰的膨脹效應和相互擠壓會對細胞或組織的結構造成破壞。如果要將生物體冷凍起來，就必須避免冰晶的形成。這也是難以通過冷凍的方法來長期保存生命體的主要原因。

在玻璃態冰能夠被成功制備出來之前，人們都是採用負染色技術來固定生物結構並對其觀察的。負染技術使用重金屬鹽作為染色劑，比如甲酸鈾或者醋酸雙氧鈾。首先讓重金屬鹽覆蓋並滲透到生物大分子中去，然後把樣品晾乾脫水，蛋白質在這個乾燥的過程中可能已經分解或者破壞掉了，但乾燥後的鹽保持了生物大分子在乾燥前的外部輪廓。這個過程有點像鑄造時製作沙模的過程，重金屬鹽就是沙子。當用電鏡觀察時，人們看到的生物大分子的圖像其實是蛋白降解後留下的空洞，因此襯度是反轉的，所以稱為負染(圖2)。負染的優勢是操作簡單，圖像襯度高。缺點是無法獲得高解析度，因為觀察到的僅是重金屬鹽而已經不是蛋白本身了。相應地，負染解析度的上限只能達到十幾埃左右。最早猛廳慶的生物樣品的高解析度結構都是通過負染技術來觀察的，比如20世紀50年代人們就藉助負染技術看到了與老年痴呆相關的腦神經細胞中出現的澱粉樣沉澱，以及多種植物病毒的影像。雖然負染的解析度遠達不到原子水平，但是其相對於光學顯微鏡來說解析度已經很高了。所以，這一技術目前依然有著很廣泛的應用，用於對樣品質量的快速檢測和樣品結構的初步分析，是最主要的日常電鏡生物結構分析手段之一。隨著高壓冷凍和冷凍替代技術的發展，負染色技術也是目前觀察細胞或者組織樣品的重要手段。

④ 冷凍電鏡是什麼為什麼能夠斬獲今年諾貝爾化學獎

冷凍電鏡，是用於掃描電鏡的超低溫冷凍制樣及傳輸技術(Cryo-SEM)，可實現直接觀察液體、半液體及對電子束敏感的樣品，如生物、高分子材料孫毀笑等。

能夠斬獲今年諾貝爾化學獎的原因是：

諾獎委員會給出的獲獎理由原話是「for developing cryo-electron micros for the high-resolution structure determination of biomolecules in solution」，這句話已經概括了冷凍電鏡（通常縮寫為Cryo-EM）的意義則含，讓科學家們能高效率地以原子級解析度獲得生物分子的三維結構。

其中，快速冷凍技術可使水在低溫狀態下呈玻璃態，減余知少冰晶的產生，從而不影響樣品本身結構，冷凍傳輸系統保證在低溫狀態下對樣品進行電鏡觀察。