这些问题
为什么选择电子显微镜：
那么，让我们谈谈：为什么要用电子呢？ 如果我们想要造一台显微镜，可选的放射线有很多种， 每种都有它自己的优势和劣势。 您首先想到的，可能是可见光， 可见光有它的优势。 首先，它破坏力不大， 显然我们每天都生活在可见光下。 利用光学显微镜来观察细胞， 经过好几分钟以后，也不会对细胞造成很大损害。 如果用强光照着细胞， 最终您会发现可见光还是有破坏力的——生物体的活动会受强光影响而变慢。 不过，和我们将要说到的其他几种射线相比，可见光的破坏力相对非常小。 不仅如此，可见光的对焦也很容易实现。 我们只需要拿一片玻璃， 将玻璃雕琢成合适的形状，它就能聚焦可见光。 最终，我们的眼睛就是可见光的探测器。 然而，可见光也有其缺点。 它最大的劣势在于它的波长。 可见光中，最短的波长大约为400纳米， 而一台显微镜的基础分辨率极限， 就是它成像所使用的射线的波长。 因此，400纳米就是光学显微镜的基础分辨率极限，可是， 对于我们想看的许多细胞外结构而言，400纳米太大了。 那么，如果说可见光最大的劣势在于其长波长， 您可能会问，为什么我们不索性选用更短波长的光呢， 例如所谓的X射线。 X射线有非常短的波长，这确实是它的优势。 其实，例如X-射线晶体学所利用的X射线， 其波长仅有1.5埃，甚至更短。而且X射线也有非常好的穿透力。 比如，人们会在医院里接受全身X射线扫描成像， 这就是因为X射线能够穿透人的全身。 当然X射线也有它的缺点。它最主要的缺点在于，难以聚焦。 玻璃的折射指数不够高， 无法有效地将X射线聚焦。 事实上我们至今还未找到一种能有效聚焦X射线的材料。 一些人使用所谓的『波带板』来使X射线成像， 不过那也有相应的技术难题，所以X射线是很难聚焦的。 另一方面，X射线还会损坏样品。 这就是为什么当您去医院做X射线检查时， 医护人员会给您一块防护毯来遮挡您身上不需要被照到的地方。那么，让我们再来看看其它种类的射线，哪些可以被利用， 来做显微镜呢？ 就在电子的波动特性被发现后， 2:56 人们马上意识到，它们的波长可能极短。 事实上，我们加州理工学院的电子显微镜的电子束， 加速电压高达300千伏。 而它们的波长，小至皮米级。 这比单个原子的大小，还要更小。 电子显微镜的优势之一， 就在于它所利用的射线具有极短的波长。 所以波长不会成为它的一个限制因素。 电子的另一个优点是，它们能够被聚焦。 在本课中，我们将会比较细致地讨论如何聚焦电子。 不过，电子也有它的缺点。 首先，像X射线一样，电子会严重地损害样品， 所以电子显微术的基本极限来源于生物样品在其结构被摧毁前、 所能承受的最大辐射量。电子的另一个缺点是，穿透能力很弱。 所以电子显微术的另一个基础极限就是， 无法对厚度超过大约0.5微米的样品有效地成像。 那么，当我们思考各种不同放射线时， 有没有其它放射线能够被利用来做出一个超棒的显微镜呢？ 还有一种放射线我们也不得不谈， 那就是中子。 我们能不能做个中子显微镜呢？ 中子的优点包括： 它们对样品的损害非常小， 而且中子可以有非常短的波长， 就像电子一样，波长甚至可以短至皮米级别。 有这样的优势实在太棒了。然而其亦有劣势。首先， 如何产生一束明亮的相干中子光束？ 我们至今对此束手无策。 而且，怎样才能让中子聚焦呢？ 最好的主意可能是使用波带板， 但波带板也有其技术限制。 这就是为什么在那些能够用来研究细胞结构的显微镜中、 电子显微镜占有其独特而重要的一席之地的原因。 这就引出了结构生物学的演变图。 现在，通常情况下，当我们说到结构生物学， 大多数人会想到X射线晶体学、 核磁共振波谱法等被用来解析蛋白质结构的技术。 有时候这些技术也被用来解析蛋白质结构域， 能够使我们得到原子模型。 但是就蛋白质而言，大蛋白和蛋白质复合体的结晶，会越来越难。 而核磁共振波谱法也有其技术限制， 而无法被用来解析大蛋白和复合体。 于是在这方面，电子显微术就成为了最有效的方法。 电子显微术让我们能够对大蛋白和复合体成像。 我们把这项技术称为：冷冻电子显微镜单颗粒三维重构。 另外，X射线晶体学也越来越强大， 能够解析出越来越大的复合体， 因而在这个竞争中也发挥着重要作用。 现在，我们发现大部分蛋白质其实在细胞内 参与着各项流水线上的工作。 这些蛋白质在动态变化中， 而且可能相距较远， 所以如果我们要研究它们的相对位置， 就需要能够对多个蛋白参与的反应进行成像。 这可以通过电子显微术实现。 无论是体外研究， 还是细胞内研究，都可以使用冷冻电子断层摄影术。 现在，在较低分辨率下，我们能够用光学显微镜， 来观察单个蛋白质在细胞内的动态。 现在，在结构生物学演变图的两端， 我要加上两种不同的计算技术。 首先，系统生物学， 或结构与空间建模， 让我们能对蛋白质如何相互作用、去向何处等的不同假说， 都进行探索。 系统生物学让我们得以通过计算来探索那一切。 而在这另一端，我要放上另一个计算技术， 分子动态模拟技术。 在已有蛋白质上所有原子分布的模型的情况下， 分子动态模拟能让我们探索不同模型， 测试这些原子的位置与蛋白质功能之间的关系。 综上所述， 即是在结构层面上研究细胞所需的各项不同技术。