近日，南方科技大学冷冻电镜中心王培毅教授团队在Ultramicroscopy上发表了题为“Chromatic aberration (Cc) corrected cryo-EM: the structure of pseudorabies virus (PRV) using both zero-loss and energy loss electrons” 的研究论文。该研究聚焦于冷冻电镜领域的一个重要问题：色差校正技术在结构生物学中的应用潜力，以及非弹性散射电子在单颗粒成像中的物理机制。本研究首次成功实现了仅利用非弹性散射电子进行生物大分子三维结构重构，这一突破性进展有力证明，在色差校正器的辅助下，传统上被视为“噪声”的非弹性散射电子可有效转化为可解的“信号”。图1展示了世界上第一台色差/球差校正冷冻电镜，现位于南方科技大学冷冻电镜中心。
图1. 色差校正冷冻电镜，左图为电镜的全貌 (主体的尺寸为4300 x 1700 x 1700 (H x L x W) mm)，右图红色标记展示了色差校正器及其位置。
研究人员首先展示了世界上第一台色差/球差校正冷冻电镜的性能指标，其杨氏双缝实验展示了电镜在各方向的信息分辨率都优于1埃，同时色差矫正器成功将低能损失电子（low-loss electrons，本文中也指代非弹性散射电子）和零损电子（zero-loss，本文中指代弹性散射电子）聚焦在同一平面。对比无色差校正器的冷冻电镜，其23 eV的能量损失的电子带来的聚焦偏移为300 nm左右。
图2 (a) 色差校正冷冻电镜在300eV下的杨氏双缝干涉实验。(b) Zero-loss和Low-loss 电子带来的聚焦偏移比较，色差校正电镜和非色差校正电镜对能量损失的电子的聚焦能力不同。
研究人员选择了一种PRV病毒作为研究对象，该病毒的直径在120nm左右，冷冻后样品的厚度超过一般的蛋白样品，所以其低能损失电子的占比较大。图3展示了分别使用零损电子和低能损失电子成像的图片，低能损失电子的图像不同于通常的单颗粒照片，其病毒颗粒和背景的衬度进行了翻转。
图3. （a）色差校正电镜下的PRV病毒的图片；（b）非色差校正电镜下PRV病毒的图片。
非弹性散射电子的衬度反转主要来源于低频的振幅衬度反转。通常的冷冻电镜样品的零损电子的振幅衬度为7-10%左右，其符号为负，而有损电子的振幅衬度的符号为正。图4对比了碳膜上零损电子和低能损失电子的thon ring，可以很清楚的看到零损电子和低能损失电子的高频信息非常接近，但是其衰减更快，且低频区域有所偏移。
图4. 零损电子和低能损失电子的二维功率谱图(a)和一维功率谱图(b)对比。
图5对比了零损电子和低能损失电子分别通过单颗粒重构得到的病毒的电子密度图。低能损失电子重构的密度图虽然分辨率较低，但是其特征和零损电子重构的基本一致，由于低能损失电子的信号较少，其密度比如零损电子重构的密度连续。文章中还详细研究了欠焦量大小对低能损失电子重构密度分辨率的影响及使用Rosenthal-plot量化对比了不同成像条件下分辨率和颗粒数量的。
图5.零损电子(a)及低能损失(a)分别重构的PRV 病毒颗粒密度图。
综上所述，低能损失电子作为非弹性散射电子，的确含有反应样品的真实相位衬度信息，为了最大限度地提升非弹性散射电子的衬度，结合色差校正器、相位板和正焦成像也许是未来厚样品成像的一种更直接的选择。
南方科技大学冷冻电镜中心高级工程师吴静为本文第一作者，王培毅教授为本文的通讯作者，原中心工作人员刘闯（现在华中科技大学）、王傲杰（现在华南农业大学）、付鲁堂（现在香港大学）参加了研究工作，英国MRC-LMB实验室为本文的合作单位。该研究得到了国家自然科学基金、科技部基金等项目的大力支持。南方科技大学冷冻电镜中心为该研究相关的冷冻电镜数据收集和处理工作提供了大力支持。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304399125000804?via%3Dihub#ack0001
