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使用細(xì)胞冷凍電子斷層掃描技術(shù)，無(wú)需脫水或染色，只要將其原生狀態(tài)保存在玻璃態(tài)冰中即可觀察到完整的細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。使用該技術(shù)可觀察到大分子復(fù)合物在細(xì)胞內(nèi)的的形狀和分布。這其中不僅僅是一個(gè)單一的蛋白質(zhì)或復(fù)合物，而是冷凍瞬間細(xì)胞內(nèi)部的生物機(jī)制。正如 Feynman 所預(yù)言的，這種*的技術(shù)為我們提供了關(guān)于細(xì)胞生物學(xué)的諸多基本問(wèn)題的答案——甚至還包括最小的單細(xì)胞生物：細(xì)菌和古生菌。

細(xì)菌通過(guò)組裝專(zhuān)門(mén)的 IV 型分泌系統(tǒng) (T4SS)，將molecular cargo注入到靶細(xì)胞內(nèi)。利用冷凍電子斷層掃描技術(shù)，科學(xué)家 Chang 和 Shaffer 等人第一次公布了與體內(nèi)癌癥相關(guān)的 T4SS 結(jié)構(gòu)，并解析了幽門(mén)螺桿菌遇到胃上皮細(xì)胞時(shí)所產(chǎn)生的*的膜質(zhì)附屬物結(jié)構(gòu)。（圖片 © 2016 Oikonomou, C., Chang, YW. & Jensen, G. Nat Rev Microbiol 14, 205–220）

在這種新技術(shù)的推動(dòng)下，我們對(duì)結(jié)構(gòu)微生物學(xué)的理解飛速發(fā)展，但相關(guān)教育的推進(jìn)速度卻要慢得多。細(xì)胞生物學(xué)和微生物學(xué)的教科書(shū)不僅更新速度緩慢，過(guò)程也十分艱難。這樣一來(lái)，學(xué)生們從書(shū)本中往往了解到的是幾十年前的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有機(jī)會(huì)看到我們?cè)诮曛腥〉玫闹R(shí)飛躍。由于冷凍電鏡價(jià)格昂貴，只能由受過(guò)嚴(yán)格訓(xùn)練的專(zhuān)家來(lái)操作，所以學(xué)生們也沒(méi)有機(jī)會(huì)親自感受冷凍電鏡的魅力。

自從 Grant  2002 年在加州理工學(xué)院創(chuàng)辦實(shí)驗(yàn)室以來(lái)，他們小組的科學(xué)家已經(jīng)獲得了超過(guò) 40000 張的細(xì)胞斷層圖。為了探索生物學(xué)問(wèn)題的答案，他們已經(jīng)用冷凍電鏡觀察了幾十個(gè)不同菌種的細(xì)菌和古生菌。他們將相關(guān)的研究成果發(fā)表，并在 2018 年開(kāi)始探索如何通過(guò)建立一個(gè)廣泛的、基于區(qū)塊鏈的公共數(shù)據(jù)庫(kù)，與科學(xué)界共享所有的數(shù)據(jù)。此外，我們也認(rèn)為這些圖像可以吸引更廣泛的受眾，比如非專(zhuān)業(yè)人員——無(wú)論是醫(yī)學(xué)實(shí)習(xí)生還是生物學(xué)愛(ài)好者——都會(huì)希望可以看到細(xì)菌和古生菌的真實(shí)面貌。

2020 年 12 月，Jensen Lab在加州理工學(xué)院圖書(shū)館上線(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)版《細(xì)菌和古生菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖集》。這是一本免費(fèi)的教科書(shū)，以寓教于樂(lè)的方式講解冷凍電子斷層掃描技術(shù)，并根據(jù)當(dāng)前技術(shù)成果及時(shí)更新內(nèi)容。

《細(xì)菌和古生菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)圖集》作為一本開(kāi)源多媒體教科書(shū)，以從未有過(guò)的形式展示了微生物細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中包含有大約 150 組效果非常好的冷凍斷層掃描圖像及動(dòng)畫(huà)。

—— 詹森實(shí)驗(yàn)室 (@theJensenLab) 2020年12月23日