主题：【分享】冷冻电镜单颗粒技术样品制备载网支持膜的选用

冷冻电镜技术是现今结构生物学里最常用的解析生物大分子三维结构的技术之一。虽然其样品制备过程比另一种同样非常常用的技术——X射线晶体学简便，但成功制备出一个适合进行高分辨数据收集的样品仍然是经验、运气、努力与创新相结合的结果。
为了承载样品，使其能送入透射电镜进行观察，样品需要与带支持膜的载网接触并冷冻固定在一起。目前，可供选用的载网支持膜大体分两种：一种是有孔支持膜，包括常用的微栅碳支持膜、碳微阵列支持膜（如Quantifoil，GiG，Cflat等）、金属微阵列支持膜（如Quantifoil金膜，镍钛膜等）等，可直接购买使用。另一种是在有孔支持膜上再加一层连续超薄支持膜，添加的超薄支持膜常用的为超薄碳膜，近期又出现了氧化石墨烯膜等基于石墨烯的超薄膜类型。这种通常需要使用者对市售的有孔支持膜再加工，在其表面多加一层超薄支持膜。无论使用哪种膜，由于提供支撑的有孔膜较厚引入的噪音很高，数据收集都发生在孔内。

图1.常用有孔支持膜类型

图2.有孔支持膜加连续超薄支持膜类型

适合单颗粒技术数据收集的冷冻电镜样品需符合以下要求：①生物大分子群体主要为同种分子或者组分相同的复合体，且它们稳定在一种或有限的几种彼此能被计算机图像处理分类技术区分的构象；②样品颗粒彼此分离，同时分布密度又能满足在一次数据采集区域内获得足够的颗粒数量；③样品颗粒的空间取向随机分布。

图3.理想化的样品颗粒在冰层中的分布示意图

这些要求看似与载网支持膜的选用无太大关联，但实践经验告诉我们，有时同一个样品使用不同的载网支持膜进行样品制备，其数据收集质量有区别。
导致这种差别的原因之一是支持膜表面性质的不同对进孔样品分布密度的影响。使用有孔碳支持膜常见的一个问题是样品大部分粘附在支持膜上，而在孔内的样品数量很少。根据经验，碳支持膜对部分样品的吸附性能相当强，溶液中的样品会优先吸附到碳膜上，以至于游离的样品颗粒浓度大大降低，而分布在支持膜孔内的样品来源于游离的样品颗粒群体。使用添加了连续超薄膜的载网则少有这个问题，毕竟孔内孔外都有碳膜，同时由于碳膜对样品的吸附在一定程度上具有样品富集效应，还可降低制样时所需样品浓度。此外，使用金属材质的有孔支持膜（如金膜，镍钛膜等）能缓解这种情况，因为金属支持膜表面性质与碳支持膜有区别，其对样品的吸附也可能有差异。

图4.连续碳膜上的样品颗粒在冰层中的分布示意图

导致这种差别的原因之二是冷冻样品制备时气液界面对样品的影响。由于电子能穿透的样品厚度很有限，样品被冻住前必须先进行减薄。目前最简单也最通用的减薄法是使用滤纸移除大部分液体而仅剩厚度在几十至上百纳米范围的水膜。根据现今通用的制样方式，从水膜的形成到它被快速冷冻成非晶态冰膜的时长在秒的量级。水膜的上下两层气液界面之间的距离如此短，水膜中样品被冷冻固定前的时间如此长，以至于样品颗粒有成千上万次机会与气液界面接触。每次接触样品颗粒都机率变性，或变成无定形的多肽链，或解体成更小的亚基组合。最终我们看到的样品颗粒或是被“已牺牲”的变性样品所保护而未能接触气液界面，或是幸运地多次接触气液界面而仍未变性。更多关于气液界面对样品影响的介绍，可参考孙飞（2018）以及Glaeser 和Han （2017）发表的综述。

图5.现实的样品颗粒在冰层中的分布示意图

使用有孔支持膜无可避免地会受到来自上下两层气液界面的影响，某些样品会因此而在冷冻后无法观察到完整颗粒。而使用连续超薄支持膜一面由气液界面转换为固液界面，另一面由于支持膜对样品的吸附而远离气液界面，有效地降低了气液界面对它的影响。
既然添加连续超薄支持膜的载网有这么多好处，为什么很多样品仍然使用有孔支持膜呢？
原因之一是长期使用的超薄碳支持膜对于小蛋白（特别是分子量小于500kDa）仍然太厚，引入的噪音太多，导致小蛋白数据取向搜索结果不够精确，影响重构分辨率提升。而石墨烯类超薄支持膜理论上为单分子层，比超薄碳膜更薄，在这方面可以帮上忙。但石墨烯类支持膜添加到载网上的方法仍在发展中，目前使用上仍不及有孔支持膜便利。

图6.样品直径与碳膜厚度的选择（感谢友情出镜的大蛋黄颜值担当评审嘉宾）

原因之二是添加超薄支持膜更大机率引起样品的取向优势，导致某些取向数据采集量远远不足，同样影响重构分辨率提升。

图7.样品颗粒取向优势示意（感谢友情出镜的大蛋黄实力客串样品颗粒）

纯有孔支持膜与添加超薄支持膜两种方案可谓各有优缺。有孔支持膜的缺点很明显，在于受气液界面的两面夹击。如果有一种方法能缩短样品减薄到冷冻固定的时长至毫秒级别，那么样品颗粒将没有足够的时间多次接触气液界面，同时也减少与支持膜本身的接触，从而使用有孔支持膜的各种问题将可能迎刃而解。Bridget Carragher实验室研发了一种特殊的载网，命名为纳米线载网（nanowire grids）。这种载网具有自减薄功能，即载网孔内多余的液体会被固定在载网梁上的纳米线所吸走，留在载网孔内的液体厚度自然下降。当然纳米线吸附液体体积是有上限的，需要配合他们实验室研发的微量加样设备（Spotiton robot）加注皮升级别的样品量。虽然目前还未得到普及，但这种设置可以实现将减薄步骤的时长降低到百毫秒级别的水平。目前该文章未正式发表。
推荐阅读文献：
Fei Sun. Orienting the future of bio-macromolecular electronmicroscopy. Chin. Phys. B. 2018, 27(6): 063601

Glaeser RM, Han BG. Opinion: hazards faced by macromolecules whenconfined to thin aqueous films. Biophys Rep. 2017, 3(1):1-7
Noble AJ, Wei H, Dandey VP, Zhang Z, Potter CS, Carragher B.Reducing effects of particle adsorption to the air-water interface in cryoEM.doi: https://doi.org/10.1101/288340
Palovcak E, Wang F, Zheng SQ, Yu Z, Li S, Bulkley D, Agard DA, ChengY. A simple and robust procedure for preparing graphene-oxide cryo-EM grids.doi: http://dx.doi.org/10.1101/290197
Russo CJ, Passmore LA. Electron microscopy: Ultrastable goldsubstrates for electron cryomicroscopy. Science. 2014, 346(6215):1377-80.
Sader K, Stopps M, Calder LJ, Rosenthal PB. Cryomicroscopy ofradiation sensitive specimens on unmodified graphene sheets: reduction ofelectron-optical effects of charging. J Struct Biol. 2013, 183(3):531-536
来源：【生物成像中心】
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