高分辨冷冻电镜三维重构埃瓦尔德球效应的研究

摘要

高分辨冷冻电子显微成像技术是现今结构生物学研究中最具活力的主流实验技术之一,研究从纳米量级的蛋白质到微米量级的大分子复合物或超分子复合物的一系列目标,并具有接近原子分辨率的三维结构获取能力,可以有效弥补生物大分子X射线衍射技术需要高质量晶体和核磁共振(NMR)技术对解析目标有分子量大小限制等不足,因此被广大生物医学研究人员寄予厚望。然而,由于冷冻电子显微镜单颗粒技术内在的原因,如采用低剂量电子成像,并且样品被包埋在非晶态的冰中,使得最终成像反差不强,信噪比不高。因此我们应当在继承原有方法的基础上,创造性地引入引入新方法以克服困难。
　　 高分辨冷冻电电子显微成像技术现已广泛应用于病毒结构（二十面体）解析,但是,它存在两个关键性障碍:对于高分辩三维重构的超大运算量和由于电镜自身成像原理而产生的埃瓦尔德球弯曲效应对高分辨率成像的限制,都影响了电镜的应用。特别是后者,由于电子波长及物镜的球差系数决定了电镜可得到的理论分辨率,当样品的厚度超出电镜的景深时,对应于入射光的对称散射光将不再满足弗里德尔对定律,即,在相应分辨率上的傅立叶系数的振幅和相位都不再满足于复数共轭关系。此时,从图像中得到的傅立叶系数将会是相应三维结构因子的线性组合,而不再遵守传统意义上的弗里德尔相关关系。为了得到真实的结构因子,必须从实际拍摄的图像中将对应于三维结构的傅立叶系数恢复出来。自然而然地,需要对现有的成像方法作一定的改进。
　　 在周正洪教授的指导下,我们通过比较现有的多种已发表方法,结合自身电镜拍摄实践,考虑到现实实验中的种种限制,如存在象散,欠焦,实际放大倍数的准确性,通过理论推导和实验检验,进行技术研究,摸索出了一种综合技术路线,进行样品制备上机拍摄成像以及数据处理来克服以上问题。应用这种综合技术路线,以人巨细胞病毒(HCMV)为病毒单颗粒研究样品,得到了人类巨细胞病毒颗粒优于4.5(A)分辨率的三维重构结果,并开始了结合电子密度图的原子模型构建,从而验证了结合实际条件建立起来的综合技术路线方法对于超大尺寸颗粒成像的正确性和可靠性。