揭秘现实中的“冰系魔法师”，原来如此神奇......

来源：科普中国发布时间：2025-07-30

在影视作品中，冰系魔法师们往往能瞬间冰封万物，这种极具冲击力的画面令人印象深刻，如此将物质在极低温下冻结的设定，虽充满艺术想象，却与现实生活中科学家们使用的冷冻电镜技术（Cryo-Electron Microscopy, Cryo-EM）在核心理念方面存在微妙的联系。

冷冻电镜的核心奥秘正在于它可利用极低的温度（约-185 摄氏度甚至更低）将生物大分子（如蛋白质、病毒等）“定格”在电镜之下，从而捕捉其本真状态，为解析生命活动的奥秘提供了可能。凭借这项革命性技术，三位科学家荣膺 2017 年诺贝尔化学奖，诺奖委员会盛赞其“将生物化学带入了新的纪元”。

2017 年诺贝尔化学奖获得者：雅克·杜博歇、阿希姆·弗兰克、理查德·亨德森（图片来源：诺贝尔奖官方网站）

那么，这种技术为何需要如此极端的低温？这“冰封”之力的背后到底蕴藏着怎样的科学原理？今天，我们一起走进这个“冰封的微观世界”，共同探寻它的奥秘。

为什么要“冷冻”生物大分子？

要理解冷冻电镜中“冷”的关键意义，首先要明确它要克服的核心挑战：要观察天然、完整且具有生命活性的生物大分子（如蛋白质、病毒等），必须在接近生理状态的水溶液环境下进行。

然而，传统透射电镜的工作环境与维持生物大分子天然状态的需求存在根本性冲突，主要体现在三个方面：

高真空导致水环境丧失

透射电镜样本必须维持在高真空环境中，这是因为透射电镜是利用电子束作为光源的，而电子束只有在真空中才能保持稳定、直线地传播。如果环境中存在空气，空气中气体分子就会与电子束发生碰撞，使电子束偏离原来的传播方向，导致成像模糊，无法准确反映样品的微观结构。

在此条件下，样本中维持生物分子天然结构所必需的水溶液会被瞬间抽干，如同水滴落在炽热的铁板上。这将导致高度依赖水合层稳定的蛋白质结构严重变形甚至塌陷，其天然构象彻底丧失。

高能电子束造成辐射损伤

在真空环境中，失去水层保护的生物大分子直接暴露于透射电镜的高能电子束下。这些电子束会如同密集的子弹，直接轰击样品中裸露的蛋白质，造成严重的结构损伤，最终获得的图像也与其在生物体内的真实状态相去甚远；

布朗运动导致成像模糊

在传统透射电镜的室温环境下，生物大分子持续进行着剧烈且随机的布朗运动。在这种高速运动下拍下的电镜成像，就如同用慢快门拍摄快速移动的物体——结果必然是图像模糊、出现重影，无法获得清晰、稳定的结构信息。

传统透射电镜的成像原理（图片来源：作者）

冷冻电镜则通过革命性的技术手段，巧妙地解决了上述矛盾：它能将含水的生物大分子溶液样本，在毫秒级时间尺度内，急速冷冻至液氮温度（约-196 摄氏度）甚至更低。这种超快速冷冻可使溶液中的水分子来不及形成破坏性的冰晶，而是形成一种非晶态的固态冰（即“玻璃态冰”）。

玻璃态冰如同完美的“分子铸模”，可以将包裹在其中的生物大分子瞬间“冻结”在其天然的溶液构象中，在帮助维持其形貌结构的同时，超低温的环境也限制了蛋白质的分子的热运动。在冷冻电镜的腔体中，这种状态下的生物样品在精密调控的低剂量电子束照射下进行成像，最大程度地保留了生物样品的原始结构。

冷冻电镜的成像原理（图片来源：参考文献[6]）

到底要有多“冷”？怎么能做到这么冷？

理解了为什么要“冷冻”生物大分子，现在，我们来接着探究“冷冻”所需的具体温度。冷冻电镜工作时的核心低温来源于使用液氮(-196 摄氏度/77 开尔文)或液氦(零下 269 摄氏度/4 开尔文)作为系统中的制冷剂。样本在投入液乙烷快速冷冻后，会被转移到特殊的观察冷台上。这个冷台被浸泡在液氮或液氦中冷却，在整个电镜观察过程中，样本温度始终维持在接近液氮/氦温度的极寒环境，即大约-180 摄氏度到-269 摄氏度。

这种程度到底有多“冷”？可以通过两个对比直观感受一下：

196 摄氏度(液氮温度)

比地球上南极洲的最冷记录（约-89 摄氏度）还要低 100 多摄氏度！在这个温度下，整个空气中的氧气、氮气都会凝结成液体。

269摄氏度(液氦温度)

距离物理学上的绝对零度（-273.15 摄氏度）仅差 4 度！这几乎是常规情况下人类在实验室能达到的最低温度。想象一下，这是将样本置于比太阳系边缘冥王星表面（平均约-230 摄氏度）还要寒冷近 40 摄氏度的极寒环境，生命活动在此被近乎彻底“冻结”。

“冷冻”之后，

如何还原生物分子的三维结构？

然而，将含水样本在不破坏其原始形貌的条件下冻到如此极寒的程度，还只是第一步。要获得原子级分辨率（约 0.3 纳米甚至更高）的清晰结构，还需要克服急冻状态下，蛋白质分子取向随机性的挑战——样本中成千上万个相同的分子，被冷冻时是以随机的姿态“躺”在冰层里的，朝向四面八方，这将导致拍到的生物大分子图像是蛋白质在随机一个方向上的二维投影。

蛋白质分子在急冻后样品中的随机取向（图片来源：参考文献[7]）

不过，而聪明的科学家们早已想到利用计算机强大的图像处理算法和计算能力将二维的蛋白质分子投影还原为三维的立体分子结构：

海量数据采集

对于同一样本区域的图像，电镜自动采集数万、数十万甚至上百万张不同角度的蛋白质显微照片。

优选粒子图像

计算机程序从这些海量模糊照片中自动识别、挑选出结构状态较好的目标分子，获得数十万甚至上百万个“单颗粒”图像。

分类与对其

算法根据分子的不同朝向（随机分布的优势在此体现），将这些单颗粒图像按照相似的角度进行分类，并将同一类别的图像进行精确的对齐叠加。

三维结构重构

基于类似 CT 扫描的电子断层扫描技术，计算机利用不同角度的二维投影信息，通过傅里叶变换、迭代优化等复杂的数学计算，最终重构出生物大分子的高分辨率三维结构模型。傅里叶变换是指从多角度拍摄样品的二维投影，经数学变换后各代表三维物体在不同“频率空间”中的一个投影切片。将这些切片按角度拼合成完整的三维频率图，再通过逆变换还原出立体结构。

这个过程可以类比为通过一个物体的三视图（如前视图、侧视图、俯视图）来还原其立体结构。当然，蛋白质的三维结构远比简单几何体复杂得多，需要整合其海量不同角度的二维投影图片，通过深度反演推算才能实现蛋白质高分辨三维结构重建。

左：多角度扫描蛋白质结构投影；右：二维投影反推三维结构原理（图片来源：参考文献[7]）

“冷冻”的终极意义：

凝固生命的瞬间，解码自然的精妙

正是这种逼近宇宙极限的极寒，让我们得以突破观测瓶颈，将瞬息万变、脆弱无比的生物大分子“冻结”在最接近天然活动的状态，并以接近原子级的分辨率解析其复杂而精妙的三维结构。

从揭示核糖体合成蛋白质的机制，到解析新冠病毒表面刺突蛋白结构以加速疫苗研发，再到描绘神经受体传递信号的奥秘——冷冻电镜的每一次“定格”与“成像”，都是人类向生命微观世界最深处发起的一次叩问。它所展现的，不仅仅是人类对物理意义上绝对低温的掌控和应用，更是科学家们发挥人类智慧突破认知疆界的非凡决心。这“冷”的表象之下，涌动着的，是对生命运行规律炽热的探索渴望。

因此，当你再听到下一个重要的蛋白质结构被成功解析时，不妨想想那接近绝对零度的极寒瞬间，那一刻凝固着生命律动中最美妙的一帧！

参考文献

[1] 赵明洁,曹端方,章新政.基于冷冻电镜无倾转成像数据的新型蛋白质原位结构解析方法[J].生物化学与生物物理进展,2024,51(10):2418-2429.

[2] 刘霞.冷冻电镜“看清”免疫调控蛋白结构[N].科技日报,2025-06-19(004).

[3] 杨梓,范潇,王宏伟.应用单张冷冻电镜显微照片解析近原子分辨率的单颗粒三维重构[J].电子显微学报,2025,44(01):91-105.

[4] 赵明洁,曹端方,章新政.基于冷冻电镜无倾转成像数据的新型蛋白质原位结构解析方法[J].生物化学与生物物理进展,2024,51(10):2418-2429.

[5] 莫家媚,张少鸿等.冷冻扫描电镜制样方法及其在含水样品中的应用[J].电子显微学报,2024,43(02):231-239.

[6] Callaway, E. The revolution will not be crystallized: a new method sweeps through structural biology. Nature 525, 172–174 (2015).

[7] Jacqueline L. S. Milne1, E. Cryo‐electron microscopy - a primer for the non‐microscopist[J]. The FEBS Journal, 2013, 280(1).

[8] Taylor K A, Glaeser R M. Electron microscopy of frozen hydrated biological specimens[J]. Journal of Ultrastructure Research, 1976, 55(3):448-456.

[9] Dubochet J, Lepault J, Freeman R, et al. Electron microscopy of frozen water and aqueous solutions[J]. Journal of Microscopy, 1982.