所有的生命都是由细胞组成几个量级比一粒盐还小。它们看似简单的结构掩盖了错综复杂的分子活动，这些活动使它们能够执行维持生命的功能。
研究人员开始能够以前所未有的细节程度可视化这一活动。
生物结构可以通过从整个生物体的水平开始并向下工作，或者从单个原子的水平开始并向上工作来可视化。
然而，细胞最小的结构（例如支持细胞形状的细胞骨架）与其最大的结构（例如在细胞中制造蛋白质的核糖体）之间存在分辨率差距。
通过谷歌地图的类比，虽然科学家们能够看到整个城市和单个房屋，但他们没有工具来查看这些房屋如何组合在一起组成社区。
查看这些邻域级别的详细信息对于了解各个组件如何在细胞环境中协同工作至关重要。
新工具正在稳步缩小这一差距。以及一项特定技术的持续开发，冷冻电子断层扫描或冷冻电子断层扫描，有可能加深研究人员研究和理解细胞在健康和疾病中的功能。
正如前者主编科学杂志并作为研究员我几十年来一直在研究难以可视化的大型蛋白质结构，见证了可详细确定生物结构的工具开发方面取得的惊人进展。
正如当你知道复杂系统的样子时，就更容易理解它们是如何工作的一样，了解生物结构如何在细胞中组合在一起是了解生物体如何运作的关键。
显微镜简史
在17世纪，光学显微镜首次揭示了细胞的存在。 20 世纪，电子显微镜提供了更多细节，揭示了细胞内复杂的结构，包括内质网等细胞器，这是一种复杂的膜网络，在蛋白质合成和运输中发挥关键作用。
从 20 世纪 40 年代到 1960 年代，生物化学家致力于将细胞分离成分子成分，并学习如何以或接近原子分辨率确定蛋白质和其他大分子的 3D 结构。首先使用 X 射线晶体学来可视化结构肌红蛋白，一种为肌肉提供氧气的蛋白质。
在过去的十年中，技术基于核磁共振，它根据原子在磁场中相互作用的方式生成图像，并且冷冻电子显微镜科学家们可以想象的结构的数量和复杂性迅速增加。
什么是冷冻电镜和冷冻电子断层扫描？
冷冻电子显微镜或冷冻电镜，使用相机来检测电子束在穿过样品时如何偏转，从而在分子水平上可视化结构。
样品被快速冷冻以保护它们免受辐射损伤。通过拍摄单个分子的多个图像并将它们平均成 3D 结构来制作感兴趣结构的详细模型。
冷冻电子断层扫描与冷冻电镜具有相似的组件，但使用不同的方法。由于大多数细胞太厚而无法清晰成像，因此首先使用离子束将细胞中的感兴趣区域变薄。
然后倾斜样本，以不同角度拍摄多张照片，类似于身体部位的 CT 扫描——尽管在这种情况下，成像系统本身倾斜，而不是患者倾斜。然后计算机将这些图像组合起来，生成细胞部分的 3D 图像。
该图像的分辨率足够高，研究人员或计算机程序可以识别细胞中不同结构的各个组成部分。例如，研究人员使用这种方法来展示蛋白质如何在蛋白质内部移动和降解。藻细胞。
研究人员曾经必须手动完成的许多确定细胞结构的步骤正在变得自动化，使科学家能够以更高的速度识别新结构。
例如，将冷冻电镜与像这样的程序阿尔法折叠可以通过预测尚未表征的蛋白质结构来促进图像解释。
了解细胞结构和功能
随着成像方法和工作流程的改进，研究人员将能够采用不同的策略解决细胞生物学中的一些关键问题。
第一步是决定要研究哪些细胞以及这些细胞内的哪些区域。另一种可视化技术称为相关光学和电子显微镜（CLEM），使用荧光标签来帮助定位活细胞中发生有趣过程的区域。
比较细胞之间的遗传差异可以提供额外的见解。科学家可以观察无法执行特定功能的细胞，并了解其结构如何反映这一情况。这种方法还可以帮助研究人员研究细胞如何相互作用。
冷冻电子断层扫描可能在一段时间内仍然是一种专用工具。但进一步的技术发展和可及性的提高将使科学界能够以以前无法达到的细节水平检查细胞结构和功能之间的联系。
我预计会看到关于我们如何理解细胞的新理论，从杂乱无章的分子袋转向错综复杂的动态系统。
