Varhainen kehitys Muokkaa
1960-luvulla läpäisyelektronimikroskopian käyttö rakenteenmääritysmenetelmissä oli rajallista suurienergisten elektronisuihkujen aiheuttamien säteilyvaurioiden vuoksi. Tutkijat olettivat, että näytteiden tutkiminen alhaisissa lämpötiloissa vähentäisi säteen aiheuttamia säteilyvaurioita. Sekä nestemäistä heliumia (-269 °C tai 4 K tai -452,2 °F) että nestemäistä typpeä (-195,79 °C tai 77 K tai -320 °F) pidettiin kryogeeneinä. Vuonna 1980 Erwin Knapek ja Jacques Dubochet julkaisivat kommentteja säteen vaurioitumisesta kryogeenisissä lämpötiloissa ja jakoivat havaintoja, joiden mukaan:
Hiilikalvoon kiinnitettyjen ohuiden kiteiden havaittiin olevan 4 K:n lämpötilassa 30-300 kertaa säteen kestävämpiä kuin huoneenlämmössä… Suurin osa tuloksistamme voidaan selittää olettamalla, että kryosuojaus 4 K:n alueella riippuu voimakkaasti lämpötilasta.
Nämä tulokset eivät kuitenkaan olleet toistettavissa, ja vain kaksi vuotta myöhemmin Nature-lehdessä julkaistiin muutoksia, joissa kerrottiin, että sädekestävyys ei ollut niin merkittävää kuin alun perin oletettiin. Saavutettu suoja 4 K:n lämpötilassa oli lähempänä ”kymmenkertaista L-valiinin standardinäytteille”, kuin mitä aiemmin oli ilmoitettu.
Vuonna 1981 Euroopan molekyylibiologian laboratorion tutkijat Alasdair McDowall ja Jacques Dubochet raportoivat ensimmäisestä onnistuneesta kryo-EM:n toteutuksesta. McDowall ja Dubochet lasittivat puhdasta vettä ohueksi kalvoksi ruiskuttamalla sitä hydrofiilisen hiilikalvon päälle, joka upotettiin nopeasti kryogeeniin (77 K:een jäähdytetty nestemäinen propaani tai nestemäinen etaani). Ohut amorfisen jään kerros oli alle 1 µm paksu, ja elektronidiffraktiokuvio vahvisti amorfisen/vitriäärisen jään olemassaolon. Vuonna 1984 Dubochet’n ryhmä osoitti kryo-EM:n tehon rakennebiologiassa analysoimalla vitrifioidut adenovirus tyyppi 2:n, T4-bakteriofagin, Semlikin metsäviruksen, bakteriofagi CbK:n ja Vesicular-Stomatitis-Viruksen.
Vuoden 2017 kemian Nobel-palkintoEdit
Kolme tutkijaa, Jacques Dubochet, Joachim Frank ja Richard Henderson, saivat vuonna 2017 kemian Nobel-palkinnon biomolekyylejä kuvaavan tekniikan kehittämisestä.
Potentiaalinen kilpailija röntgenkristallografialleEdit
Lokakuun 27. päivänä 2020 röntgenkristallografiaa on käytetty 150494 biologisen näytteen kuvaamiseen, ja se on hallitseva tekniikka biologisessa mikroskopiassa, kun kryo-EM on kaukana perässä vain 6016:lla.
Nature-lehden mukaan Cambridgen yliopiston edistysaskeleet suorissa elektronidetektoreissa (joita usein kutsutaan suoriksi detektointilaitteiksi tai DDD-laitteiksi) ja SPT labtechin suorittama näytteiden valmistuksen automatisointi ovat kuitenkin johtaneet käytön lisääntymiseen biologisilla aloilla, mikä tekee Cryo-EM:stä mahdollisen kilpailijan.
Röntgenkristallografian erottelukykyä rajoittaa kiteiden puhtaus, ja näiden näytteiden tuottaminen on hyvin aikaa vievää ja kestää jopa kuukausia tai jopa vuosia. Lisäksi joitakin proteiineja on vaikea kiteyttää. Vaikka näytteen valmistaminen kryo-EM:ää varten on edelleen työlästä, siinä ei ole näitä ongelmia, koska siinä tarkastellaan näytettä sen ”natiivissa tilassa”.
Proteopedian mukaan röntgenkristallografialla saavutettu mediaaniresoluutio (19. toukokuuta 2019) Protein Data Bankissa on 2.05 Å, ja korkein saavutettu resoluutio (27.10.2020 alkaen) on 0,48 Å. Vuodesta 2020 alkaen suurin osa kryo-EM:llä määritetyistä proteiinirakenteista on alhaisemmalla resoluutiolla, 3-4 Å. Parhaat kryo-EM:n resoluutiot lähestyvät kuitenkin 1,5 Å:ta, mikä tekee siitä joissakin tapauksissa reilun kilpailijan resoluutiossa.