孙飞研究组与合作者揭示
脉冲式电子成像对生物有机样品的电子辐照损伤效应

　　冷冻电镜技术可以解析近天然状态下生物大分子的高分辨率结构，从而极大推动了分子生命科学研究和生物医药开发的进步。虽然该技术已经取得了诸多令人振奋的成果，但目前仍然存在一个重要因素限制了冷冻电镜分辨率提高，那就是样品的电子辐照损伤。这是冷冻电镜技术本身无法避免的技术瓶颈，也限制了其对生物样品实现原子分辨率的解析。超快电镜技术是近年发展起来的一种新型电子照明成像技术，为解决样品的电子辐照损伤问题提供了新的机遇。利用超快脉冲光束驱动的电子脉冲进行成像、将超快电镜技术与冷冻电镜技术结合起来形成的超快冷冻电镜技术，有望在生物大分子复合体的结构动态研究中发挥重要作用，拓展新的研究维度。

　　2025年7月2日，中国科学院生物物理研究所孙飞研究组联合中国科学院物理研究所李建奇研究组，在《The Innovation Life》杂志发表题为"Radiation damage behavior of soft matter in ultrafast cryo-electron microscopy (cryo-UEM)"的研究论文，首次系统研究了类生物有机样品（饱和脂肪烃C₄₄H₉₀晶体）在不同成像模式（常规连续电子束 vs. 超快脉冲电子束）、温度、电子剂量率、波包电子数和脉冲重复率下的电子辐照损伤效应，明确了脉冲式电子成像模式对有机样品的电子辐照损伤与连续式电子成像模式相同，揭示了电子束对样品辐照损伤背后的物理机制。

图1. 饱和脂肪烃C₄₄H₉₀晶体的电子辐照损伤探测示意图

　　尽管近期已有相关实验报道，但超快脉冲式电子成像能否缓解样品的电子辐照损伤一直存在争议。一方面，研究者认为，在累积电离损伤与键断裂等电子辐照损伤过程中，各个级联反应的激发都有其各自的特征时间窗口。若采用时间调制的脉冲束分段输送电子，可为级联反应和随后的声子激发提供充足的弛豫时间和样品恢复时间，从而拦截损伤事件的发生，减少不利的协同或复合效应，在一定程度上缓解电子辐照对样品的损伤。另一方面，研究者认为，通过简单地降低常规连续电子源的强度，而非使用超快脉冲电子源，可以更容易地为各个损伤事件提供足够长的暂停时间，以对其实现假设的热弛豫和"修复"，这意味着电子剂量率应与样品的电子辐照损伤相关。然而，相关实验验证的结果并非如此。电子剂量率与电子辐照损伤的相关性已争论了数十年，由于样品电子辐照损伤的机制尚不清楚，辐照损伤与剂量率之间的相关性仍待探索。

　　孙飞研究组长期致力于生物超快冷冻电镜技术的开发与应用。在中国科学院重大科学仪器研制项目的支持下，孙飞研究组与中国科学院物理研究所李建奇研究团队紧密合作，共同搭建了一套具备脉冲电子成像模式的200 kV生物冷冻超快电镜（cryo-UEM）系统，并于2023年顺利通过设备验收。在本研究中，团队依托新建成的设备平台，系统的探究了脉冲式电子成像对生物有机样品的电子辐照损伤效应，首次解析出饱和脂肪烃样品在不同成像模式和成像条件下完整的衍射强度衰减曲线和临界电子剂量值（Ne）。该研究通过对不同实验条件的纵向（如不同温度）和横向（如脉冲vs. 连续模式）对比分析，清晰地揭示出样品的电子辐照损伤与电子剂量率之间不存在相关性；通过降低温度可以有效缓解样品的电子辐照损伤；但是，脉冲成像模式对样品的电子辐照损伤与连续成像模式相同。基于这些实验结果，研究团队对其中潜在的物理机制进行了分析。

　　该研究表明时间调制的脉冲电子束并不能缓解样品受到的电子辐照损伤，超快脉冲式电子成像并不适合发展成为解决冷冻电镜技术中样品辐照损伤问题的有效手段。这些研究结果为理解电子束下的样品辐照损伤提供了新的见解和实验依据，为阐明辐照损伤的基本原理提供了指导和启发。

　　本研究为北京怀柔科学城"多模态跨尺度生物医学成像设施"中新一代生物cryo-UEM系统的建设奠定了重要基础。目前，该设备已在设施中完成部署。相较于前代系统，新设备在电镜仓室真空度、脉冲电子束相干性及电子束稳定性等关键性能指标上均具有显著优势。该设备的成功建立有望实现前所未有的突破性科研成果，攻克传统技术难以解决的生物学关键问题。

　　中国科学院生物物理研究所孙飞研究员、中国科学院物理研究所李建奇研究员和杨槐馨研究员为论文的共同通讯作者，中国科学院生物物理研究所博士后赵益民、博士生岐晨为论文的共同第一作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、北京市自然科学基金、中国科学院科研仪器设备研制项目、中国科学院科学基金博士后资助项目的支持。

　　文章链接：https://doi.org/10.59717/j.xinn-life.2025.100145

（供稿：孙飞研究组）