突破显微镜极限：科学家改造百年前成像技术，激光让“看不见”的蛋白结构变可见

IT之家 7 月 14 日消息，加州大学伯克利分校（UC Berkeley）物理学家团队基于近百年前提出的相差成像方法，开发出了一项基于激光的冷冻电子显微镜（cryo-EM）改进技术，有望帮助科学家观察过去难以分辨的微小生物结构。目前，冷冻电子显微镜已经成为研究生物大分子结构的重要工具，但受限于信噪比等因素，大量人体和动物蛋白质仍然难以获得清晰成像。UC 伯克利团队研发的激光相位板（laser phase plate）技术，通过改变电子束的相位信息提升图像对比度，同时避免传统相位板容易降低电子束强度的问题，从而增强显微镜对微小结构的观察能力。1930 年，荷兰物理学家弗里茨・泽尔尼克（Frits Zernike）发现，光线通过生物样品时，不仅亮度会发生变化，相位也会改变。通过调整未发生散射光线的相位，相差成像能够将原本难以观察的透明细胞结构转化为可见的亮度变化。泽尔尼克也因这一发现获得了 1953 年诺贝尔物理学奖。过去，科学家曾尝试将这一原理应用于电子显微镜，但早期方案存在降低电子束强度、影响分辨率以及成像稳定性不足等问题。2010 年，UC 伯克利教授、劳伦斯伯克利国家实验室科学家霍尔格・穆勒（Holger Müller）与冷冻电镜领域研究人员罗伯特・格莱泽（Robert Glaeser）提出利用高强度激光实现电子束相位调控的方法。经过 15 年的研发，穆勒团队最终将这一概念转化为实际设备。该系统利用高强度连续波激光聚焦到极小区域，通过改变电子束状态提升图像质量。研究人员将激光限制在一个球形镜面腔体中，使光线反射超过 1 万次，从而形成极高强度的聚焦光场。据穆勒介绍，该系统能够产生约 75 千瓦功率、聚焦于数微米范围内的激光强度。研究团队将这一技术应用于一台定制版 Thermo Fisher Krios 冷冻电子显微镜，并将其命名为“Theia”，名称来源于古希腊神话中与光相关的泰坦女神。该设备由 Biohub 提供资金支持，用于探索更高水平的生物结构成像能力。实验中，研究人员测试了包括醛缩酶（aldolase）和血红蛋白（hemoglobin）在内的多种生物样品。其中，醛缩酶此前已经能够通过冷冻电镜进行较清晰观察，而尺寸更小、接近当前设备极限的血红蛋白则获得了更明显的改善。研究人员表示，对于尺寸较小或样品质量较低的情况，激光相位板能够带来更显著的信噪比提升。除了传统冷冻电镜外，该技术也有望增强冷冻电子断层扫描（cryo-ET）的能力。冷冻电子断层扫描通过从不同角度获取样品图像，再重建细胞内部三维结构，但由于细胞内部环境高度复杂，小分子结构容易被大量其他成分干扰。Biohub 红木城（Redwood City）成像技术负责人布里奇特・卡拉格（Bridget Carragher）表示，细胞内部类似“密集森林”，研究人员需要在复杂环境中寻找单个结构，因此提升图像对比度十分关键。目前，冷冻电子显微镜通常难以稳定解析低于约 70 千道尔顿（kilodalton）的蛋白质，而人体蛋白质组中约 90% 的蛋白质尺寸低于这一范围。借助激光相位板，研究人员已经能够观察约 50 千道尔顿大小的蛋白质，不过这一过程仍存在挑战。穆勒团队希望未来进一步优化技术，将可观测范围推进至约 17 千道尔顿，相当于肌红蛋白（myoglobin）的尺寸。Biohub 还在开发下一代版本设备，计划采用两束相互垂直、功率更低的激光，以减少光学畸变并降低设备损伤风险。研究人员认为，随着激光相位板技术继续完善，冷冻电镜和冷冻电子断层扫描可能进一步拓展对细胞内部微观结构的观察能力。该研究的核心目标是突破现有成像限制，让更多此前无法直接观察的蛋白质结构进入科学研究范围。相关研究成果已发表在《科学》期刊上，IT之家附论文地址：https://doi.org/10.1126/science.aeh0665