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所有的生命都是由比一粒盐还小几个数量级的细胞组成的 。 它们看似简单的结构掩盖了错综复杂的分子活动 ， 使它们能够执行维持生命的功能 。
现在 ， 研究人员开始能够将这一活动可视化到他们以前无法做到的细节水平 。
上图：低温电子断层扫描显示的SARS-CoV-2具有高分辨率 。
生物结构可以从整个生物体的层面开始 ， 然后往下看 ， 或者从单个原子的层面开始 ， 然后往上看 。
然而 ， 在细胞的最小结构（如支撑细胞形状的细胞骨架）和最大结构（如在细胞中制造蛋白质的核糖体）之间存在分辨率差距 。
通过谷歌地图的类比 ， 虽然科学家们已经能够看到整个城市和单个的房屋 ， 但他们没有工具来看到这些房屋是如何组成社区的 。
查看这些邻域级细节 ， 对于理解单个组件如何在单元环境中协同工作至关重要 。
新的工具正在稳步缩小这一差距 。 正在开发的一种特殊技术 ， 即冷冻电子断层扫描（cryo-ET） ， 有可能加深研究人员如何研究和理解细胞在健康和疾病中的功能 。 这也是可以详细确定生物结构工具的发展取得的惊人进展 。
上图：冷冻电子断层扫描显示了分子在高分辨率下的样子 —— 在本例中 ， 是导致新冠肺炎的病毒 。
就像当你知道复杂系统的样子时 ， 就更容易理解它们是如何工作的一样 ， 理解细胞中的生物结构是如何组合在一起的 ， 是理解生物体如何运作的关键 。
显微学简史
在17世纪 ， 光学显微镜首次揭示了细胞的存在 。 在20世纪 ， 电子显微镜提供了更大的细节 ， 揭示了细胞内的精细结构 ， 包括内质网等细胞器 ， 内质网是一种复杂的膜网络 ， 在蛋白质合成和运输中起着关键作用 。
从20世纪40年代到60年代 ， 生物化学家致力于将细胞分离成它们的分子成分 ， 并学习如何以原子分辨率或接近原子的分辨率来确定蛋白质和其他大分子的3D结构 。 这是第一次使用X射线晶体学来可视化肌红蛋白的结构 ， 肌红蛋白是一种为肌肉提供氧气的蛋白质 。
在过去的十年中 ， 基于核磁共振和冷冻电子显微镜的技术 ， 迅速增加了科学家可以可视化的结构的数量和复杂性 。 核磁共振是根据原子在磁场中的相互作用生成图像 。
什么是 Cryo-EM 和 Cryo-ET ？
低温电子显微镜（Cryo-EM）使用相机来检测电子束在通过样品时如何偏转 ， 从而在分子水平上可视化结构 。
样品被迅速冷冻以防止辐射损害 。 通过获取单个分子的多个图像并将其平均为3D结构 ， 可以制作出感兴趣的结构的详细模型 。
Cryo-ET与Cryo-EM具有相似的成分 ， 但使用不同的方法 。 由于大多数细胞都太厚而无法清晰成像 ， 因此首先使用离子束将细胞中感兴趣的区域变薄 。
然后 ， 样本被倾斜 ， 以不同的角度拍摄多张照片 ， 类似于身体部位的CT扫描 —— 尽管在这种情况下 ， 成像系统本身是倾斜的 ， 而不是患者 。 然后 ， 这些图像由计算机组合 ， 生成细胞部分的3D图像 。
这种图像的分辨率足够高 ， 研究人员或计算机程序可以识别细胞中不同结构的各个组成部分 。 例如 ， 研究人员已经使用这种方法来展示蛋白质在藻类细胞内是如何移动和降解的 。
研究人员以前必须手动确定细胞结构的许多步骤现在都变得自动化了 ， 使科学家能够以更快的速度识别新结构 。
上图：这是藻类细胞叶绿体的Cryo-ET图像 。
例如 ， 将Cryo-EM与AlphaFold等人工智能程序相结合 ， 可以通过预测尚未被描述的蛋白质结构来促进图像解释 。
了解细胞的结构和功能
随着成像方法和工作流程的改进 ， 研究人员将能够用不同的策略解决细胞生物学中的一些关键问题 。
第一步是决定要研究哪些细胞以及这些细胞中的哪些区域 。 另一种名为相关光电子显微镜（CLEM）的可视化技术 ， 使用荧光标记来帮助定位活细胞中发生有趣过程的区域 。
上图：这是人类T细胞白血病病毒1型（HTLV-1）的冷冻电镜图像 。
比较细胞之间的遗传差异可以提供更多的见解 。 科学家们可以观察无法执行特定功能的细胞 ， 并观察这是如何反映在它们的结构中 。 这种方法还可以帮助研究人员研究细胞之间如何相互作用 。
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