Vroege ontwikkelingEdit
In de jaren zestig was het gebruik van transmissie-elektronenmicroscopie voor structuurbepalingsmethoden beperkt vanwege de stralingsschade als gevolg van elektronenbundels met hoge energie. Wetenschappers veronderstelden dat onderzoek van preparaten bij lage temperaturen de stralingsschade zou verminderen. Zowel vloeibaar helium (-269 °C of 4 K of -452,2 °F) als vloeibare stikstof (-195,79 °C of 77 K of -320 °F) werden beschouwd als cryogenen. In 1980 publiceerden Erwin Knapek en Jacques Dubochet een commentaar over stralingsschade bij cryogene temperaturen, waarin zij de volgende waarnemingen deelden:
Dunne kristallen gemonteerd op een koolstoffilm bleken bij 4 K 30 tot 300 maal meer stralingsbestendig te zijn dan bij kamertemperatuur… De meeste van onze resultaten kunnen worden verklaard door aan te nemen dat de cryoprotectie in de buurt van 4 K sterk afhankelijk is van de temperatuur.
Deze resultaten waren echter niet reproduceerbaar en slechts twee jaar later werden wijzigingen gepubliceerd in Nature, waarin werd gemeld dat de stralenweerstand minder significant was dan aanvankelijk werd verwacht. De verkregen bescherming bij 4 K was dichter bij “het tienvoudige voor standaardmonsters van L-valine”, dan wat eerder werd beweerd.
In 1981 meldden Alasdair McDowall en Jacques Dubochet, wetenschappers aan het Europees Laboratorium voor Moleculaire Biologie, de eerste succesvolle toepassing van cryo-EM. McDowall en Dubochet verglaasden zuiver water in een dunne film door het op een hydrofiele koolstoffilm te spuiten die snel in cryogeen werd ondergedompeld (vloeibaar propaan of vloeibaar ethaan gekoeld tot 77 K). De dunne laag amorf ijs was minder dan 1 µm dik en een elektronendiffractiepatroon bevestigde de aanwezigheid van amorf/vitreus ijs. In 1984 demonstreerde de groep van Dubochet de kracht van cryo-EM in de structurele biologie met de analyse van verglaasd adenovirus type 2, T4 bacteriofaag, Semliki Forest virus, Bacteriofaag CbK, en Vesiculaire-Stomatitis-Virus.
Nobelprijs voor de Scheikunde 2017Edit
In 2017 kregen drie wetenschappers, Jacques Dubochet, Joachim Frank en Richard Henderson, de Nobelprijs voor de Scheikunde voor het ontwikkelen van een techniek waarmee biomoleculen in beeld kunnen worden gebracht.
Potentiële rivaal van röntgenkristallografieEdit
Op 27 oktober 2020 is röntgenkristallografie gebruikt om 150494 biologische monsters af te beelden en is daarmee de dominante techniek in de biologische microscopie, met Cryo-EM ver achter zich met slechts 6016.
Maar volgens Nature heeft vooruitgang in directe elektronendetectoren (vaak aangeduid als directe detectieapparaten of DDD’s) aan de Universiteit van Cambridge en automatisering van monsterproductie door SPT labtech geleid tot een toename van het gebruik op biologische gebieden, waardoor Cryo-EM een potentiële rivaal is geworden.
De resolutie van röntgenkristallografie wordt beperkt door de zuiverheid van het kristal, en het maken van deze monsters is zeer tijdrovend, en kan maanden of zelfs jaren duren. Bovendien zijn sommige eiwitten moeilijk te kristalliseren. Hoewel monstervoorbereiding voor Cryo-EM nog steeds bewerkelijk is, heeft het deze problemen niet, omdat het het monster in zijn “natieve staat” observeert.
Volgens Proteopedia is de mediane resolutie bereikt door röntgenkristallografie (per 19 mei 2019) op de Protein Data Bank is 2.05 Å, en de hoogste resolutie bereikt op record (vanaf 27 oktober 2020) is 0,48 Å. Vanaf 2020 is de meerderheid van de eiwitstructuren bepaald door Cryo-EM met een lagere resolutie van 3-4 Å. De beste Cryo-EM-resoluties naderen echter 1,5 Å, waardoor het in sommige gevallen een eerlijke concurrent is in resolutie.