你是否曾在眼科医生那里更新处方时，突然发现世界变得清晰起来？加州大学伯克利分校的物理学家们现在为电子显微镜实现了类似的效果。通过在冷冻电子显微镜中引入相位对比技术，他们显著提高了生物学中一些最小且最难以捉摸的蛋白质的成像清晰度。
这项进展来自一种新型激光相位板(LPP)，相关论文《激光相位板提升冷冻电镜对小蛋白质的结构测定能力》最近发表在《科学》杂志上。该研究由加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家Holger Mueller博士领导，研究团队证明激光驱动的相位板可以克服冷冻电镜最持久的限制之一：小蛋白质的对比度差。
过去十年间，冷冻电镜已经彻底改变了结构生物学，其无需结晶即可获得高分辨率结构的能力在2017年获得了诺贝尔奖。但尽管影响深远，该技术在处理分子量低于约70千道尔顿的蛋白质时仍面临挑战——这一尺寸范围涵盖了约90%的人类蛋白质组。"由于信噪比限制，大多数人类和动物蛋白质对这些方法（冷冻电镜和冷冻电子断层扫描）来说都太小而无法分析。激光相位板提供的信噪比提升有望克服这些重要限制。"
新型LPP开始解决这一问题。LPP使用高强度连续波激光来改变电子束本身的相位。这产生了真正的相位对比，而不会使光束变暗或不稳定。Mueller描述该激光聚焦为"75千瓦聚焦到几微米……这比用于焊接的功率还要大。它比军用激光的功率还要高。它建立了有史以来最亮的连续激光聚焦。"
安装在定制的赛默飞世尔Titan Krios冷冻电镜上后，LPP立即提高了小蛋白质（包括血红蛋白）的清晰度和可分辨性，血红蛋白处于当今冷冻电镜仪器可处理的下限。正如作者在摘要中所写："在这里，我们展示了激光相位板(LPP)……通过改善样本运动校正、早期帧信息恢复以及颗粒可视化、3D分类和对齐，提高了小蛋白质单颗粒重建的分辨率。"
这些改进是在使用标准离焦范围和重建工作流程的情况下实现的。"对于最具挑战性的情况——小颗粒、不良样本——激光产生了非常显著的优势，"Mueller说。
这种影响不仅限于单颗粒分析。冷冻电子断层扫描(cryo-ET)将分子或蛋白质的多个角度视图组装成三维图像，甚至能从中获益更多。"使用冷冻电子断层扫描时，我们观察的是细胞内非常复杂且极其拥挤的小型细胞材料，"Biohub成像创始技术总监Bridget Carragher博士说。"这就像是在一片森林中，你试图找到其中一棵树上的一片叶子。冷冻电子断层扫描需要在对比度上有巨大飞跃，这样我们才能开始看到细胞内部发生的情况。这正是激光相位板有望为我们提供的。"
Biohub正在开发该系统的双激光版本，旨在减少组件磨损并最小化像差。与此同时，Mueller的团队正致力于成像小至17千道尔顿的蛋白质，这一阈值将打开通往人类蛋白质组广大区域的大门，而这些区域此前对冷冻电镜来说是不可见的。
"这项技术对生物学来说是一个阶跃式的变化，"Biohub成像科学副总裁Stephani Otte博士说。"曾经不可见的东西将变得可见——这改变了我们理解疾病的一切。"
"归根结底，如果你有一个大蛋白质和一个非常好的样本——比如新鲜的样本或没有气泡冻结的样本——你可能不需要相位板就能获得单一的高质量图像。但对于小蛋白质和不良样本，开启激光是最好的，"Mueller说。"这可能会填补我们在无法结晶或对当今冷冻电镜来说太小的蛋白质结构知识上的巨大空白。而且它将对冷冻电子断层扫描产生革命性影响。"
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