定量分析方法揭示降低聚焦离子束电压减少其对冷冻切片的损伤

　　较体外纯化的蛋白质，在细胞中处于工作状态的蛋白质机器具有更为完整和生理的构象。因此，在细胞环境中直接对蛋白质机器进行三维结构解析是结构生物学的下一个目标，也是冷冻电镜技术发展的前沿。而用冷冻电镜研究细胞中的蛋白质结构，需要用聚焦离子束将细胞减薄成150纳米左右厚度的薄片，此方法通过高能离子束轰击冷冻细胞生成一个薄片，由于离子束接触薄片的上下两个表面，该减薄过程不可避免地会对两个表面产生损伤。目前，尚无手段可以定量地分析其损伤的程度及深度，难以估算这些损伤是否会限制冷冻电镜解析细胞内蛋白质机器的三维结构。

　　2023年7月31日，《Structure》杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所章新政课题组题为"The reduction of FIB damage on cryo-lamella by lowering energy of ion beam revealed by a quantitative analysis"的研究论文。首先，该工作建立了一个新方法可以定量测定离子束对细胞切片中蛋白质的损伤。该方法运用断层重构将离子束减薄切片中的蛋白质颗粒按其离上下两个表面的距离分组并做三维重构，基于每一个组中的蛋白质三维重构计算出每一个组中蛋白质成像的平均信噪比，这个平均信噪比不仅体现了不同组中蛋白质成像的数据质量，并且定量的代表了离子束对离两个表面不同距离的蛋白质的损伤程度。

　　运用该方法，我们发现，离子束在细胞切片表面50纳米深度内会造成不可忽略的损伤，其损伤程度在表面相当于辐照了大于16电子/平方埃（300千伏电子），而在50纳米处，相当于辐照了3.5电子/平方埃。这个数据意味着，切片厚度小于100纳米时，来自上下表面的损伤会在切片中央叠加，进而造成大于辐照了7电子/平方埃的损伤。理论上，细胞切片越薄，三维重构分辨率会越高，但当切片厚度小于100纳米时，聚焦离子束将损伤切片内所有的蛋白质，这样的矛盾将使聚焦离子束减薄的切片难以获得准原子分辨率的三维重构。为突破损伤深度对切片最小厚度的限制，通过进一步的研究发现，将离子束的电压降低到8kV，可以将损伤层厚度减少至30纳米以下。

图1. FIB切片辐照损伤的定量分析

　　分辨率的提升是蛋白质在细胞原位结构解析的重要需求，而获得高质量的薄细胞切片是三维重构分辨率的提升的一个重要方向，这个工作不仅提供了一个定性判断切片质量的工具，还为减少切片中的离子束损伤提出了方案，有助于原位结构解析分辨率的进一步提升。

　　中国科学院生物物理研究所的章新政研究员为该论文的通讯作者，章新政组博士研究生杨琦和章新政组博士后吴春玲为共同第一作者。论文中的病毒样品由中国农业大学的孟赓团队和张跃平团队友情提供。该工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、中国科学院基础前沿科学研究计划等资助。

　　文章链接：

　　https://www.cell.com/structure/fulltext/S0969-2126(23)00243-5#

（供稿：章新政研究组）