異軍突起的冷凍電鏡技術(shù)
——2017年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)成果簡(jiǎn)析

雷建林

2017年10月4日，瑞典皇家科學(xué)院宣布2017年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予對(duì)冷凍電鏡技術(shù)發(fā)展做出原創(chuàng)性貢獻(xiàn)的3位科學(xué)家，他們分別是瑞士洛桑大學(xué)的退休榮譽(yù)教授Jacques Dubochet、美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的Joachim Frank教授和英國(guó)劍橋MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Richard Henderson教授。

1 異軍突起的冷凍電鏡技術(shù)

結(jié)構(gòu)決定功能，無(wú)論是宏觀大到宇宙的天文，還是微觀小到細(xì)胞內(nèi)部的生命，莫不如此。生命科學(xué)從宏觀到微觀，即從器官、組織、細(xì)胞、細(xì)胞器到生物大分子等分子層面，其研究?jī)?nèi)容無(wú)不涉及到結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系，這也是諾貝爾獎(jiǎng)持續(xù)多次授予生物大分子結(jié)構(gòu)解析的原因。X射線晶體學(xué)（X-ray crystallography）、核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）和冷凍電鏡（cryo-electron microscopy，Cryo-EM）三維重構(gòu)（three-dimensional reconstruction，3DEM）是結(jié)構(gòu)生物學(xué)的3大研究技術(shù)。X射線晶體學(xué)和核磁共振技術(shù)都有著先天性的一些缺陷，比如，X射線晶體學(xué)技術(shù)要求必須將樣品制作為晶體，生物分子尤其是分子量大的生物分子結(jié)晶非常困難，對(duì)溶液內(nèi)樣品使用的核磁共振技術(shù)對(duì)樣品本身有限制，它只能應(yīng)用于相對(duì)較小的蛋白質(zhì)。冷凍電鏡技術(shù)有著其鮮明的優(yōu)點(diǎn)：不需要結(jié)晶，溶液樣品通過(guò)快速冷凍方法包埋在一層玻璃態(tài)冰中更接近于其生理狀態(tài)，可同時(shí)獲得多個(gè)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，可研究其動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)，所需樣品量極少。盡管如此，長(zhǎng)期以來(lái)，X射線晶體學(xué)技術(shù)占據(jù)著絕對(duì)的統(tǒng)治地位。冷凍電鏡技術(shù)一直是這3大技術(shù)中最弱的一個(gè)，因其結(jié)構(gòu)解析的分辨率低，甚至有時(shí)被嘲笑為blobology（只能看見一堆輪廓的技術(shù)），但一直在不停地進(jìn)步著，結(jié)構(gòu)解析分辨率逐漸提升，直到最后一個(gè)障礙被成功突破——直接電子探測(cè)器開始被用于記錄電鏡圖像，從而產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。2013年底，加州大學(xué)舊金山分校程亦凡研究組和David Julius研究組合作首次利用直接電子探測(cè)器K2相機(jī)和冷凍電鏡單顆粒技術(shù)解析了TRPV1膜蛋白3.4 ?近原子分辨率結(jié)構(gòu)，一場(chǎng)冷凍電鏡技術(shù)掀起的結(jié)構(gòu)生物學(xué)革命開始了，冷凍電鏡技術(shù)迅速取代X射線晶體學(xué)技術(shù)成為最重要的結(jié)構(gòu)解析手段。

2 3位獲獎(jiǎng)?wù)咴谶@一領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)

2013年之前，冷凍電鏡單顆粒技術(shù)其實(shí)已經(jīng)相當(dāng)成熟，正所謂萬(wàn)事俱備，只欠東風(fēng)，這也是為什么直接電子探測(cè)器研發(fā)成功投入使用之后，短短4年時(shí)間冷凍電鏡技術(shù)的應(yīng)用就能迅速催生一系列重要的發(fā)現(xiàn)，以及諾貝爾獎(jiǎng)如此快地青睞冷凍電鏡技術(shù)的原因。

冷凍電鏡技術(shù)的進(jìn)步是過(guò)去幾十年眾多科學(xué)家共同努力的結(jié)果，這3位科學(xué)家的貢獻(xiàn)尤為突出，諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C給他們自有其原因。

諾貝爾獎(jiǎng)一向青睞原創(chuàng)的突破性技術(shù)，各種顯微成像技術(shù)也不例外。1953年荷蘭科學(xué)家Frits Zernike因發(fā)明相襯顯微鏡獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。最近的一次則是2014年Eric Betzig、Stefan W. Hell和William E.Moerner因開發(fā)超分辨率熒光顯微技術(shù)獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。電子顯微鏡技術(shù)與諾貝爾獎(jiǎng)也頗有淵源。1931年德國(guó)科學(xué)家Ernst Ruska和Max Knoll制造了世界上第一臺(tái)透射電鏡，因其在電子光學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)性工作，Ruska和掃描隧道顯微鏡的研制者Gerd Binnig及Heinrich Rohrer一起分享了1986年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)也要?dú)w功于透射電鏡。1982年，以色列科學(xué)家Dan Shechtman在急冷的鋁錳合金中發(fā)現(xiàn)5次對(duì)稱的電子衍射花樣，后來(lái)被證明為來(lái)自于急冷合成的二十面體準(zhǔn)晶，他也因這項(xiàng)工作獲得了2011年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。世界上僅有美國(guó)Thermo Fisher Scientific（原FEI公司，生產(chǎn)基地在歐洲）、日本電子（JEOL）和日本日立（Hitachi）等知名企業(yè)能夠生產(chǎn)商業(yè)化的透射電子顯微鏡（注：德國(guó)蔡司Zeiss在這場(chǎng)革命來(lái)臨的前夜于2013年退出透射電鏡的制造領(lǐng)域）。電鏡在材料研究領(lǐng)域應(yīng)用非常成功，比較容易獲得原子分辨率的結(jié)構(gòu)，但在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用要明顯落后于材料科學(xué)，原因在于電鏡必須在高真空下才能工作，而生物樣品含有水分才會(huì)穩(wěn)定，水分的揮發(fā)會(huì)破壞其真空。因此傳統(tǒng)的生物電鏡采用負(fù)染技術(shù)，即讓重金屬鹽包被蛋白表面，然后脫水干燥制作成適合在真空成像的樣品。1968年，英國(guó)劍橋MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Aaron Klug博士和其同事David DeRosier提出了電鏡三維重構(gòu)原理，并用于解析負(fù)染的噬菌體病毒的結(jié)構(gòu)。Klug博士因此榮獲1982年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。然而負(fù)染的方法并不適合，不僅會(huì)導(dǎo)致樣品分辨率降低，更重要的是當(dāng)生物分子失水后，它們的結(jié)構(gòu)將坍塌，喪失自然結(jié)構(gòu)特征。因此，必須解決生物樣品脫水失活的問(wèn)題以及不耐電子輻照損傷的問(wèn)題。

加州大學(xué)伯克利分校Lawence Berkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Robert Glaeser和他的學(xué)生Kenneth Taylor于1974年首次嘗試了將生物大分子過(guò)氧化氫酶的二維晶體進(jìn)行冷凍并觀察到3 ?的原子分辨率的電子衍射花樣，說(shuō)明通過(guò)冷凍的方法可以維持含水樣品的高真空以及有效降低輻照損傷對(duì)生物樣品精細(xì)結(jié)構(gòu)的破壞。通常的冷凍過(guò)程中，樣品里的水會(huì)結(jié)成冰晶，可能使樣品結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。Jacques Dubochet系統(tǒng)研究了冰在各種冷凍條件下的狀態(tài)，1982年開發(fā)出真正成熟可用的快速冷凍制樣技術(shù)，使水在液態(tài)形式下固化，形成一種玻璃態(tài)冰而不是冰晶來(lái)包埋樣品。他們一開始嘗試用液氮直接冷凍但不成功，最后是用乙烷代替液氮后才最終實(shí)現(xiàn)，而乙烷本身則需要用液氮進(jìn)行冷卻，這種方法一直被后來(lái)者沿用至今。這項(xiàng)工作標(biāo)志著冷凍電鏡技術(shù)真正的開始。

冷凍電鏡技術(shù)主要包括3種不同的方法：?jiǎn)晤w粒分析（single particle analysis），電子斷層術(shù)（electron tomography），電子晶體學(xué)（electron crystallography）。本次諾貝爾獎(jiǎng)的頒發(fā)主要還是源于單顆粒分析技術(shù)最近幾年的廣泛應(yīng)用催生了一系列重要發(fā)現(xiàn)。而Joachim Frank則是當(dāng)之無(wú)愧的單顆粒分析技術(shù)鼻祖。1975年，Richard Henderson和Nigel Unwin提出了電子晶體學(xué)方法，但是二維晶體非常難以獲得。Joachim Frank開發(fā)了更加普適的單顆粒方法。生物大分子都是由輕元素構(gòu)成，與高能電子相互作用較弱，同時(shí)還不耐電子輻照，不能接受很高的劑量，因此圖像的信噪比很低。Joachim Frank提出可基于各個(gè)分散的全同顆粒的二維投影照片，經(jīng)過(guò)分類對(duì)位（alignment）及平均來(lái)降低噪音，從而獲取準(zhǔn)確取向，最終得到更高分辨率的三維立體圖像。他還開發(fā)了冷凍電鏡第一個(gè)單顆粒三維重構(gòu)軟件SPIDER。另外Joachim Frank將該方法應(yīng)用于核糖體結(jié)構(gòu)機(jī)理方面的研究并作出了重要開創(chuàng)性工作，可惜囿于當(dāng)時(shí)冷凍電鏡結(jié)構(gòu)解析分辨率不夠高，遺憾地與2009年授予核糖體結(jié)構(gòu)解析的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)失之交臂。此次因單顆粒分析方法獲得諾貝爾獎(jiǎng)，終于沒有再留下遺憾。

Richard Henderson是冷凍電鏡技術(shù)的引領(lǐng)者，1975年首次提出電子晶體學(xué)方法，用其獲得細(xì)菌視紫紅質(zhì)7 ?分辨率的結(jié)構(gòu)，并于1990年推進(jìn)到3.5 ?。首次證明了利用冷凍電鏡技術(shù)是可以獲得原子級(jí)分辨率的，盡管只是二維晶體還沒有普適性。他1995年從理論上預(yù)言冷凍電鏡技術(shù)未來(lái)完全有能力解析到原子級(jí)分辨率，2004年進(jìn)一步指出達(dá)到這個(gè)目標(biāo)需要克服的關(guān)鍵問(wèn)題，一是提高圖像的信噪比，二是克服圖像的漂移。其理論分析為冷凍電鏡技術(shù)的發(fā)展指明了方向，其中一個(gè)最重要的方向是直接電子探測(cè)器的開發(fā)。他還親自參與了Falcon直接電子探測(cè)器的研發(fā)。直接電子探測(cè)器的引入，解決了他指出的問(wèn)題。Richard Henderson還獨(dú)具慧眼，提攜當(dāng)時(shí)還不太知名的Sjors Scheres，將其引進(jìn)至MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，后者開發(fā)的基于概率統(tǒng)計(jì)分析的三維重構(gòu)軟件Relion能更有效地處理低信噪比的冷凍電鏡圖像。硬件與軟件的快速發(fā)展，掀起了結(jié)構(gòu)生物學(xué)的一場(chǎng)革命。

3位獲獎(jiǎng)?wù)叨啻蔚街袊?guó)進(jìn)行交流訪問(wèn)，其中Joachim Frank和Richard Henderson和中國(guó)頗有淵源。Joachim Frank實(shí)驗(yàn)室有許多華人學(xué)生和學(xué)者，為中國(guó)培養(yǎng)了不少該領(lǐng)域的研究人員。北京大學(xué)的高寧教授2002—2006年跟隨Frank攻讀博士學(xué)位，2006—2008年又在其實(shí)驗(yàn)室做博士后，隨后回到清華大學(xué)建立實(shí)驗(yàn)室，后于2017年4月轉(zhuǎn)至北京大學(xué)工作。清華大學(xué)雷建林2000年11月—2009年2月在Frank實(shí)驗(yàn)室先后做博士后和副研究員（associate research scientist），后回到清華大學(xué)協(xié)助建設(shè)國(guó)內(nèi)首個(gè)頂級(jí)冷凍電鏡平臺(tái)，目前任清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)總管。北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部教授尹長(zhǎng)城早年在劍橋MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，其導(dǎo)師Nigel Unwin和Richard Henderson一起發(fā)展了電子晶體學(xué)方法。

3 中國(guó)冷凍電鏡領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀

在這場(chǎng)冷凍電鏡技術(shù)引起的結(jié)構(gòu)生物學(xué)革命中，華人學(xué)者也做出了重要貢獻(xiàn)。從2008開始，在直接電子探測(cè)器問(wèn)世之前，美國(guó)Brandeis大學(xué)Nikolaus Grigorieff研究組的張興博士（后加入周正洪研究組），德克薩斯大學(xué)休斯敦醫(yī)學(xué)院/加州大學(xué)洛杉磯分校的周正洪教授和他實(shí)驗(yàn)室的余學(xué)奎、張興博士利用Kodak SO-163膠片或CCD相機(jī)解析了多個(gè)病毒近原子級(jí)分辨率的結(jié)構(gòu)，最高的分辨率達(dá)到3.3 ?，這是首批利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)重構(gòu)出的生物大分子的原子結(jié)構(gòu)。但是利用傳統(tǒng)的膠片或CCD相機(jī)只有病毒等個(gè)別具有高對(duì)稱的生物大分子有可能利用單顆粒方法做到原子級(jí)分辨率。2011年左右，一種全新的圖像記錄設(shè)備直接電子探測(cè)器開始揭開其神秘的面紗。2013年初，程亦凡課題組（第一作者李雪明博士）和英國(guó)MRC分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Sjors Scheres課題組（第一作者白曉晨博士）分別獨(dú)立發(fā)表論文，證明利用直接電子探測(cè)器并結(jié)合新的圖像處理工具可以解析生物大分子的原子分辨率結(jié)構(gòu)。2013年底加州大學(xué)舊金山分校程亦凡研究組和David Julius研究組合作首次利用直接電子探測(cè)器和冷凍電鏡單顆粒技術(shù)解析了TRPV1膜蛋白3.4 ?的結(jié)構(gòu)，一夜之間直接掀起了這一場(chǎng)結(jié)構(gòu)生物學(xué)革命。李雪明、張興、余學(xué)奎博士分別回到清華大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所組建獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室。

20世紀(jì)90年代中期，清華大學(xué)隋森芳教授、中山大學(xué)張景強(qiáng)教授、中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所徐偉研究員等人開始利用冷凍電鏡開展研究。隋森芳院士是中國(guó)冷凍電鏡領(lǐng)域的先驅(qū)，不僅利用冷凍電鏡技術(shù)研究與生物膜相關(guān)的重要蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與功能做出了非常重要的工作，還培養(yǎng)了一批冷凍電鏡領(lǐng)域的優(yōu)秀青年科學(xué)家，這些科學(xué)家各自建立了獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室，包括清華大學(xué)的王宏偉、上?？萍即髮W(xué)的沈慶濤、西安交通大學(xué)的武一、天津大學(xué)的米立志、美國(guó)Wadsworth中心的劉錚、NIH的江健森、西南醫(yī)學(xué)中心的白曉晨和普渡大學(xué)的暢磊福。

中國(guó)早期的冷凍電鏡設(shè)備非常落后，2008年以前沒有一臺(tái)場(chǎng)發(fā)射冷凍透射電鏡。真正的發(fā)力開始于2008年，清華大學(xué)率先訂購(gòu)亞洲第一臺(tái)Titan Krios高端冷凍電鏡，該儀器于2009年3月到貨，幾個(gè)月后中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所的Titan Krios也到貨。其后，隨著國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究基礎(chǔ)設(shè)施的啟動(dòng)，蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施以及清華大學(xué)分別在2013年和2015年第4季度各有1臺(tái)和2臺(tái)Titan Krios電鏡投入使用。近年，隨著冷凍電鏡技術(shù)的革命，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所、北京大學(xué)、浙江大學(xué)紛紛購(gòu)置了Titan Krios電鏡并投入使用，更多的高校與科研機(jī)構(gòu)也都已經(jīng)或計(jì)劃購(gòu)置高端冷凍電鏡。截止到2017年11月，中國(guó)將共有各種型號(hào)的冷凍電鏡近50臺(tái)，其中最高端的冷凍電鏡約14臺(tái)（含已到貨暫未完成安裝的）。到2018年年底，最高端冷凍電鏡的數(shù)字將可能增至近30臺(tái)。

近年來(lái)，在冷凍電鏡技術(shù)的應(yīng)用方面，中國(guó)科學(xué)家取得了優(yōu)異的成績(jī)。如，清華大學(xué)施一公研究組首次報(bào)道了通過(guò)單顆粒冷凍電鏡方法解析的酵母剪接體近原子分辨率的三維結(jié)構(gòu)，并闡述了剪接體對(duì)前體信使RNA執(zhí)行剪接的基本工作機(jī)理；隨后又陸續(xù)解析了酵母剪接體多個(gè)處于不同狀態(tài)的結(jié)構(gòu)；2017年施一公課題組又首次解析了人源剪接體近原子分辨率的三維結(jié)構(gòu)。清華大學(xué)隋森芳課題組獲得了第一個(gè)完整藻膽體的近原子分辨率的三維結(jié)構(gòu)，也是迄今為止報(bào)道過(guò)的分辨率好于4 ?的最大的蛋白復(fù)合體結(jié)構(gòu)。清華大學(xué)顏寧課題組解析了一系列不同的離子通道的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。清華大學(xué)楊茂君課題組解析了一系列線粒體呼吸鏈蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所朱平研究組和李國(guó)紅研究組合作解析了30 nm染色質(zhì)左手雙螺旋高清晰三維結(jié)構(gòu)。中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所柳振峰研究組、章新政研究組與常文瑞、李梅研究組合作，先后報(bào)道了菠菜和豌豆光系統(tǒng)-捕光復(fù)合物的超級(jí)膜蛋白復(fù)合體的高分辨率電鏡結(jié)構(gòu)。中國(guó)科技大學(xué)的蔡剛課題組解析了3.9 ?分辨率的ATRATRIP復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)揭示了ATR激酶活性在同源二聚體中活性抑制和激活的分子機(jī)制。

在冷凍電鏡技術(shù)的開發(fā)方面，中國(guó)科學(xué)家也取得了一系列成果。如，清華大學(xué)的王宏偉課題組和合作者首次提出并使用過(guò)焦成像技術(shù)獲得高分辨率蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，是冷凍電鏡成像理論方面的新方法，同時(shí)此方法也為球差矯正技術(shù)和相位板技術(shù)在生物冷凍電鏡領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路。清華大學(xué)的李雪明課題組和合作者開發(fā)了基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的自動(dòng)挑顆粒軟件DeepPicker、單顆粒重構(gòu)軟件Thunder以及單顆粒、微晶衍射（MicroED）數(shù)據(jù)收集軟件。清華大學(xué)王佳偉和其合作者開發(fā)了為高分辨率冷凍電鏡三維重構(gòu)密度圖自動(dòng)建模的程序EMBuilder。清華大學(xué)的雷建林在原有開發(fā)基礎(chǔ)上，發(fā)展了全新的高通量單顆粒自動(dòng)化數(shù)據(jù)收集軟件AutoEMation 2.0并廣泛使用。中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所的孫飛和其合作者得出以下成果：1）提出了一種全新的高真空光學(xué)冷臺(tái)設(shè)計(jì)思想，自行研發(fā)了一套基于高真空光學(xué)冷臺(tái)的光電關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)HOPE；2）開發(fā)了連續(xù)超薄切片掃描電鏡成像AutoCUTS-SEM大尺度生物樣品電鏡三維重構(gòu)新技術(shù)；3）提出了一種改進(jìn)的冷凍聚焦離子束切割方法；4）開發(fā)了新型的電子斷層三維重構(gòu)新方法。湖南師范大學(xué)的劉紅榮和其合作者提出了一種基于二維電子顯微圖像重構(gòu)對(duì)稱失配生物大分子三維結(jié)構(gòu)的新方法，首次揭示了病毒內(nèi)部基因組及其聚合酶的三維結(jié)構(gòu)。

華人科學(xué)家在這個(gè)領(lǐng)域的影響力越來(lái)越大，3DEM Gordon Research Conference是這個(gè)專業(yè)領(lǐng)域最重要的國(guó)際會(huì)議，2016年的大會(huì)主席是加州大學(xué)舊金山分校程亦凡教授，2019年將由清華大學(xué)王宏偉教授擔(dān)任。首屆Kuo KH International Symposium on 3D Cryo-EM Molecular Imaging于2008年由清華大學(xué)承辦，這也正式標(biāo)志著中國(guó)冷凍電鏡群體的快速崛起。兩年一度的該研討會(huì)越來(lái)越成為該領(lǐng)域僅次于3DEM Gordon Research Conference的國(guó)際盛會(huì)，3位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者過(guò)去曾多次參加該會(huì)。下一屆將于2018年8月在杭州舉行，由浙江大學(xué)承辦，Joachim Frank教授早就明確表示將參加。2016年成立了中國(guó)生物物理學(xué)會(huì)冷凍電鏡分會(huì)，到目前為止，國(guó)內(nèi)從事冷凍電鏡相關(guān)工作的課題組約有50個(gè)，相信今后幾年會(huì)員數(shù)會(huì)迅速增長(zhǎng)。

4 展望

2015年《Nature Methods》將冷凍電鏡技術(shù)評(píng)為年度最受關(guān)注的技術(shù)，2017年冷凍電鏡技術(shù)獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)實(shí)至名歸。今后，冷凍電鏡單顆粒技術(shù)的應(yīng)用必然會(huì)更加普及，對(duì)于重要生物大分子的結(jié)構(gòu)解析課題組之間的競(jìng)爭(zhēng)將更加白熱化。冷凍電鏡技術(shù)是一門交叉學(xué)科，相當(dāng)多的本領(lǐng)域華人科學(xué)家來(lái)自于物理和材料等領(lǐng)域也證明了這一點(diǎn)。本次頒獎(jiǎng)很多人笑言是物理學(xué)家為了解決生物學(xué)問(wèn)題而獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。未來(lái)技術(shù)的發(fā)展需要生物、物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、材料、工程等領(lǐng)域的科學(xué)家通力合作。冷凍電鏡技術(shù)在未來(lái)仍有許多重要技術(shù)問(wèn)題尚待解決。如：1）如何獲得生物大分子結(jié)構(gòu)在細(xì)胞乃至組織原位的更接近生理狀態(tài)的精細(xì)結(jié)構(gòu)信息？2）如何獲得生物大分子的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)信息？3）超大規(guī)模數(shù)據(jù)的快速處理，這需要更好的數(shù)據(jù)處理軟件和計(jì)算機(jī)硬件的共同發(fā)展。4）如何進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)解析分辨率，雖然相位板、能量過(guò)濾器、物鏡球差矯正裝置等新硬件設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用進(jìn)一步推進(jìn)了冷凍電鏡技術(shù)的極限，目前單顆粒技術(shù)仍然難以獲得好于2 ?分辨率的結(jié)構(gòu)，除了需要更好的算法外，相關(guān)的電鏡和相機(jī)硬件設(shè)備需要更深入的開發(fā)應(yīng)用。5）如何將冷凍電鏡技術(shù)與其它技術(shù)，如超分辨率熒光顯微技術(shù)、質(zhì)譜技術(shù)、測(cè)序技術(shù)等有機(jī)整合。6）如何發(fā)展更加成熟的MicroED技術(shù)。冷凍電鏡領(lǐng)域目前人才缺口很大，冷凍電鏡技術(shù)在未來(lái)大有可為?！?/p>