Frühe EntwicklungEdit
In den 1960er Jahren war die Verwendung der Transmissionselektronenmikroskopie für Strukturbestimmungsmethoden aufgrund der Strahlungsschäden durch hochenergetische Elektronenstrahlen begrenzt. Die Wissenschaftler stellten die Hypothese auf, dass die Untersuchung von Proben bei niedrigen Temperaturen die durch die Strahlen verursachten Schäden verringern würde. Sowohl flüssiges Helium (-269 °C oder 4 K oder -452,2 °F) als auch flüssiger Stickstoff (-195,79 °C oder 77 K oder -320 °F) wurden als Kryogene in Betracht gezogen. Im Jahr 1980 veröffentlichten Erwin Knapek und Jacques Dubochet Kommentare zu Strahlenschäden bei kryogenen Temperaturen und teilten die Beobachtungen, dass:
Dünne Kristalle, die auf einem Kohlenstofffilm montiert waren, erwiesen sich bei 4 K als 30- bis 300-mal strahlenresistenter als bei Raumtemperatur… Die meisten unserer Ergebnisse lassen sich durch die Annahme erklären, dass der Kälteschutz im Bereich von 4 K stark von der Temperatur abhängt.
Diese Ergebnisse waren jedoch nicht reproduzierbar, und nur zwei Jahre später wurden in Nature Änderungen veröffentlicht, die darauf hinwiesen, dass die Strahlenresistenz weniger bedeutend war als ursprünglich angenommen. Der bei 4 K erzielte Schutz lag näher am „Zehnfachen für Standardproben von L-Valin“ als zuvor angegeben.
Im Jahr 1981 berichteten Alasdair McDowall und Jacques Dubochet, Wissenschaftler am Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie, über die erste erfolgreiche Anwendung der Kryo-EM. McDowall und Dubochet verglasten reines Wasser in einem dünnen Film, indem sie es auf einen hydrophilen Kohlenstofffilm sprühten, der schnell in Kryogen (flüssiges Propan oder flüssiges Ethan, gekühlt auf 77 K) getaucht wurde. Die dünne Schicht aus amorphem Eis war weniger als 1 µm dick, und ein Elektronenbeugungsmuster bestätigte das Vorhandensein von amorphem/vitreösem Eis. 1984 demonstrierte Dubochets Gruppe die Leistungsfähigkeit der Kryo-EM in der Strukturbiologie mit der Analyse des verglasten Adenovirus Typ 2, des T4-Bakteriophagen, des Semliki-Forest-Virus, des Bakteriophagen CbK und des Vesicular-Stomatitis-Virus.
Nobelpreis für Chemie 2017Edit
Im Jahr 2017 erhielten die drei Wissenschaftler Jacques Dubochet, Joachim Frank und Richard Henderson den Nobelpreis für Chemie für die Entwicklung einer Technik zur Abbildung von Biomolekülen.
Potenzielle Konkurrenz zur RöntgenkristallographieEdit
Am 27. Oktober 2020 wurde die Röntgenkristallographie zur Abbildung von 150494 biologischen Proben verwendet und ist damit die dominierende Technik in der biologischen Mikroskopie, während die Kryo-EM mit nur 6016 Proben weit abgeschlagen ist.
Nach Angaben von Nature haben jedoch Fortschritte bei den Direktelektronendetektoren (oft als Direct Detection Devices oder DDDs bezeichnet) an der Universität Cambridge und die Automatisierung der Probenherstellung durch SPT labtech zu einem Anstieg des Einsatzes in biologischen Bereichen geführt, wodurch die Kryo-EM zu einem potenziellen Konkurrenten wird.
Die Auflösung der Röntgenkristallographie ist durch die Reinheit der Kristalle begrenzt, und die Herstellung dieser Proben ist sehr zeitaufwendig und kann Monate oder sogar Jahre dauern. Außerdem sind einige Proteine schwer zu kristallisieren. Die Probenvorbereitung für die Kryo-EM ist zwar immer noch mühsam, hat aber diese Probleme nicht, da die Probe in ihrem „nativen Zustand“ beobachtet wird.
Laut Proteopedia beträgt die mittlere Auflösung, die durch Röntgenkristallografie erreicht wird (Stand: 19. Mai 2019), in der Protein Data Bank 2.05 Å, und die höchste Auflösung (Stand 27. Oktober 2020) liegt bei 0,48 Å. Die meisten Proteinstrukturen, die mit Cryo-EM bestimmt wurden, haben eine geringere Auflösung von 3-4 Å. Die besten Cryo-EM-Auflösungen nähern sich jedoch 1,5 Å, was sie in einigen Fällen zu einem fairen Konkurrenten in Sachen Auflösung macht.