加州红木城的Biohub工程师正在对冷冻电子显微镜内部的激光相位板腔体进行调整。图片来源：Biohub。在过去的15年里，结构生物学家们一直在讨论一种可以提高冷冻电子显微镜（cryo-EM）产生的蛋白质结构分辨率的技术的可行性。这种技术被称为激光相位板（LPP），它应该能够将cryo-EM技术扩展到以前不可能涵盖的更广泛的蛋白质，并简化重建蛋白质在细胞环境中行为的断层实验。本月，乐观主义者们得到了验证，6月11日《科学》杂志上发表了一篇文章，以及6月5日在bioRxiv上发布的预印本，展示了两种有效提高冷冻电子显微镜实验中小蛋白质图像质量的LPP设计。“这是在冷冻电子显微镜硬件之后发生的第一件令人兴奋的新事物，超越了已经存在数十年的技术，”来自加州红木城生物技术组织Biohub的成像创始科学主任David Agard说，他还是预印本的作者。“这永远不会奏效”冷冻电子显微镜涉及将蛋白质冷冻在薄层玻璃冰中，并使用电子显微镜对其进行成像。生物材料通常不吸收电子，这使得它们很难被直接成像。但它们会散射电子，这种散射改变了电子波的一种称为相位的特性。研究人员开发了通过增强“相位对比”来检测由此产生的“相位位移”的策略，从而实现更清晰的蛋白质成像。2010年，加州大学伯克利分校的生物物理学家Robert Glaeser和物理学家Holger Müller联手探索了一种将强激光聚焦到用于cryo-EM成像的电子束上，以选择性地改变未散射的“背景”电子相位的想法。这将使得能够相对于那些在遇到蛋白质后被散射的电子增加这些电子的相位对比。冷冻电子显微镜赢得化学诺贝尔奖他们于2019年发布了相对原始的概念验证原型。这项工作引起了Biohub的关注，该组织已经资助了后续开发。Müller回忆起在项目早期阶段参加由该组织举办的冷冻电子显微镜专家会议时，遇到了相当大的热情——但也存在深深的怀疑。“当时的情绪是，‘这听起来太酷了，但这永远不会奏效，’”他说。确实，LPP的发展面临着许多技术挑战。“我们必须生成的激光聚焦是任何地方最亮的连续激光聚焦，”Müller说。“而且当我们开始时，所需强度的激光并不存在。”作为解决方案，他和他的同事们使用精确加工的镜子将入射激光反射回转数千次，从而将其放大到必要的强度。这些镜子必须非常光滑——表面粗糙度必须低于氢原子的直径——并且由一种可以抵抗强烈激光束损坏的陶瓷玻璃制成，具有进一步设计特性以确保长期稳定性。