美國科學家突破電子顯微鏡技術：新系統放大倍率達光學顯微鏡的1萬倍

美國柏克萊國家實驗室（Berkeley Lab）與加州大學柏克萊分校（UC Berkeley）的物理學家研發出一項突破性技術，大幅提升電子顯微鏡的效能。這項新技術將相位對比（phase-contrast）技術應用於冷凍電子顯微鏡（cryo-EM），放大倍率約為光學顯微鏡的10,000倍，能夠提供對生物學與疾病研究至關重要的小分子及細胞結構的高解析度影像。

研究團隊開發的雷射相位板（laser-based phase plate）能產生清晰銳利的分子影像，而這正是現今頂尖cryo-EM系統難以達成的目標。研究人員表示，這項技術的誕生，是歷經逾15年的理論與實驗研究、與頂尖機械師的密切合作，以及Biohub的支持下才得以實現。

捕捉分子的更精確原子模型

這片相位板與由Thermo Fisher Scientific特別開發的客製化顯微鏡「Theia」搭配使用，旨在最大化發揮雷射超強亮度的優勢。根據官方新聞稿，該系統拍攝的影像明顯更清晰、更銳利，包含更豐富的細節，可供結構解析軟體處理，進而生成更精確的分子原子模型。

主導此研究的UC Berkeley物理學教授暨Berkeley Lab生物科學部門教授科學家Holger Müller表示：「Theia是顯微鏡中的F1賽車。即使不啟用雷射，其解析度也優於標準cryo-EM。加入雷射相位板後，我們期望它真正成為全球最頂尖的儀器之一。」

他進一步以生動的比喻說明這項技術的意義：「過去，用cryo-EM研究結構就像在黑暗畫廊中試圖欣賞畫作。有了Theia，就像燈光首次被打開一樣。」

成功對醛縮酶與血紅素蛋白進行成像

研究團隊透過對兩種蛋白質的成像，展示了系統的強大性能：一是相對容易捕捉的肌肉蛋白——醛縮酶（aldolase）；二是血液中攜帶氧氣的血紅素（hemoglobin）。血紅素是一種較小的蛋白質，處於現有儀器可處理尺寸的下限邊緣，常被用作cryo-EM效能的基準測試目標。

雷射相位板在兩種情況下均提升了蛋白質結構的解析度，對血紅素的改善尤為顯著。Müller說明道：「我們涵蓋了從較大粒子（搭配極佳樣本製備，挑戰性不高）到較小粒子（樣本製備較差，挑戰性高）的完整光譜。當然，樣本品質愈好，頂尖顯微鏡的重要性就相對降低。改善效果最顯著的，正是那些最具挑戰性的案例。」

團隊計畫擴展至冷凍電子斷層掃描技術

目前，該系統已安裝於UC Berkeley，研究團隊正致力於將顯微鏡的應用範疇從單粒子分析（single-particle analysis）擴展至一項更新的技術——冷凍電子斷層掃描（cryo-electron tomography，cryo-ET）。

類似於醫院CT（電腦斷層）掃描從不同角度重建身體部位影像的原理，cryo-ET將分子或細胞結構的多角度影像組合成3D立體圖像。與單粒子cryo-EM不同，cryo-ET能在分子處於細胞內自然狀態下進行捕捉，同時提供遠優於光學顯微鏡的解析度，將大幅提升科學家研究細胞過程的能力。

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