南京大学王鹏课题组在生物病毒冷冻电子衍射叠层计算机重构成像技术上取得重要进展

2020-06-10        来源:尼鸿教育频道

近日,南京大学现代工学院王鹏教授课题组牵头中国疾病防治控制中心宋敬东研究员以及英国牛津大学材料系Angus Kirkland教授课题组,率先实现较低电子剂量条件下生物样品的高衬度冷冻电子叠层衍射计算机轻构成像(Cryo-Ptychography)技术。该研究成果以"Low-Dose Phase Retrieval of Biological Specimens using Cryo-Electron Ptychography"为题,于2020年6月2日在Nature Communications上发表。

冷冻电镜(Cryo-EM)是解析生物样品结构的重要手段,通过单颗粒重构(Single particle analysis)技术可以实现小至血红蛋白尺寸大小的蛋白颗粒大至几百万道尔顿量级的蛋白质颗粒的三维光学。近年来冷藏制样技术、冷冻电镜设备、高速相机以及三维重构算法的快速发展将蛋白质结构解析分辨率不断提升至原子级,为高分辨率结构生物学研究获取了重要的承托。

由于生物样品在高能电子束辐照下极易损伤,因而只能在低电子剂量条件下进行成像。而传统TEM成像在较低电子剂量条件下获得的图像面临衬度很弱、信噪比较低、低频缺陷等亟待解决的问题。传统的增强图像衬度方法有增加离焦量或加到相位板等方法,但增加离焦量又不会影响光学的分辨率,而相位板自身则有稳定性等问题。电子衍射叠层光学(Ptychography)是一种基于4D STEM 衍射数据和计算机重构的成像技术,以其超高辨别、低相位衬度、限于于轻质元素、低电子剂量效率以及三维成像更容易实现等优势,在材料领域受到了普遍关注并得到了快速发展。

本研究工作首次构建了低电子剂量条件下冷藏生物样品的电子衍射叠层成像(Cryo-Ptychography),从理论上说明了该方法不具备更长的信息传输频域带宽,并从实验上展出了低电子剂量条件下双层轮状病毒颗粒(DLPs)以及类艾滋病毒颗粒(HIV-1)的低衬度相位光学以及常温条件下腺病毒病毒感染细胞切片微米级大区域的成像。为结构生物学研究中蛋白结构的高分辨、低衬度和低信噪比光学密切相关提供一个崭新的技术思路和手段。


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