作者约书亚·阿
康乃尔大学克里施分校 信用:Pixabay/CC0公共领域 当科学家需要观察冠状病毒用来渗透人体细胞的刺突蛋白的结构时，他们求助于冷冻电子显微镜
冷冻电子显微镜(cryo-EM)是研究人员武库中最强大的成像工具之一，几乎可以将蛋白质、病原体和各种细胞成分可视化到它们的单个原子
但是为低温电磁准备样品是一个繁琐的过程，依赖于乙烷——一种液体形式的强冷却剂，在室温下是一种易燃气体，容易爆炸
一项新的研究发表在9月10日
7发表在《国际晶体学联合会杂志》上的研究表明，低温电磁样品可以用更安全、更便宜的冷却剂——液态氮——来制备，而且这些样品可以比用乙烷制备的样品产生更清晰的图像
这一发现颠覆了20世纪80年代的传统观点，并可能提高低温电磁的安全性和质量
“乙烷不是标准的实验室化学品
它是危险的，使用它会增加额外的复杂性，”资深作者罗伯特·索恩说，他是艺术与科学学院的物理学教授，也是韦斯的总统研究员
“液氮是首选冷却剂
" Cryo-EM的工作原理是通过发射电子穿过瞬间冻结在玻璃状水面上的分子，捕捉冰内分子的多个模糊图像
复杂的软件通常可以将这些模糊的片段平均成一个清晰的三维图像，但并不一致
一些模糊来自样本本身
当包裹着分子的水冷却太慢时，就会形成冰晶，从而降低图像质量
科学家们通过用乙烷快速冷却水来避免这个问题，使其迅速变成一个玻璃状、无晶体的薄片
但是如此快速的冻结会给薄片带来压力，而薄片是由一层金薄膜支撑的
当电子束击中纸张时，应力导致分子移动，模糊了最终图像，这种现象被称为电子束诱导运动
“我们有两个对立的因素，”索恩说
“我们希望快速冷却样品，以防止冰晶的形成，并捕捉分子的生物结构
但我们也希望尽可能慢地冷却样本，以最小化成像过程中的运动
" 乙烷可以非常快速地冷却样品
但是研究人员必须使用液氮将乙烷气体转化为液体，然后在样品冷冻后使用更多的液氮来储存样品
索恩说:“乙烷很麻烦，也很危险，最终，无论如何，样本最终都会被保存在液氮中。”
根据过去40年的报道，液氮的冷却速度大约是乙烷的50倍，这还不足以将水转化为玻璃态
但是在2006年，索恩的研究小组发现减缓氮气的主要因素是盘旋在液体表面的冷气体，这种气体在小样本到达液体之前就将其冷却了
索恩的公司米特根最终开发了一种用于X射线晶体学的自动冷却仪器，这是另一种用于蛋白质分子成像的方法，它可以在样品浸入氮气之前去除寒冷的气体，并发现冷却速度仅比乙烷慢6倍
米特根的工作人员随后为低温电磁样本调整了他们的冷却仪器，并与康奈尔材料研究中心的工作人员和八月份的同事乔纳森·克莱格合作收集和分析低温电磁数据
正如新的研究报告所述，氮气以冷冻电磁样品制备的最佳速度冷却——足够快以避免大量冰晶的形成，但足够慢以减少随后光束引起的运动
“乙烷过量了，”索恩说
“对于你不需要的速度，你得到的是光束诱导运动的模糊图像，这比任何冷却稍慢形成的冰晶都更成问题
" 索恩说，全液氮冷却将简化低温电磁工作流程，消除乙烷所需的额外步骤，并使设计符合当前实验室安全标准的自动冷却仪器变得更加容易
“这很好地说明了基础学术科学——研究小物体如何冷却以及它们内部的冰是如何形成的——是如何带来实用的解决方案和商业产品的
"
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