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结构生物学是一门以分子生物学、生物化学和生物物理学的分支，关心的生物大分子 （如蛋白质分子和核酸分子）的分子三维结构（Tertiary structure）（包括构架和形态）， 它们是如何获得它们的结构，并研究改变它们的结构与影响其功能的关系的学科。由于结构生物学能够解释生物大分子的构象和相互作用的方式，而所有的生命活动都是通过各种生物大分子的相互作用来实现，因此，对于生物学家们来说，这是一个非常有吸引力的领域。以蛋白质及其复合物为主的生物大分子三维结构的测定是生物研究最重要的科学基础之一，和结构相关工作共获诺贝尔奖25 项，占诺贝尔奖自然科学部分的8%，基于结构的药物设计已被广泛应用于医药研发中。

目前生物大分子三维结构的测定主要有三大手段：X 射线晶体学、核磁共振技术（NMR） 以及冷冻电镜三维重构技术。这些研究方法都有其优点和缺陷，不同的研究对象需要采用不同的方法。X 射线晶体学是目前分辨率最高的结构测定方法，但是首先要拿到蛋白质晶体，分子量很大的蛋白以及膜蛋白很难得到晶体，具有很大的局限性。核磁共振光谱学比较适合研究小分子量（通常小于20kDa）的蛋白和蛋白相互作用位点的信息，而冷冻电镜比较适合研究超大分子量蛋白复合物（通常远大于100kDa）甚至亚细胞器的结构。 

近年来，冷冻电镜三维重构技术在硬件设备及结构解析的软件算法等方面取得了多个重要的技术突破，已经成为结构生物学研究的重要技术手段，为越来越多的生物学研究者所重视，因此大批的研究成果涌现，极大地促进了科学研究进展，也一定程度促进了科研成果转换。尤其是在新冠疫情期间，应用冷冻电镜三维重构技术，不仅解析了多个重要病毒及宿主药物靶点，还第一次捕捉到并向人们展示新冠病毒的全病毒三维结构，为应对疫情提供了宝贵的原始资料。冷冻电镜三维重构技术的技术特点决定了它所具备的一些独特优势和发展方向，同时作为一个正在迅速发展的科学技术领域，需要多学科的交叉促进。如未来可能实现结构生物学与细胞生物学不同尺度的研究在冷冻电镜三维重构技术上融合的新方法。

冷冻电镜作为当今生物大分子三维结构的重要研究手段，即将样品在液氮中经过冷冻固定，使样品中的H₂O分子以玻璃态的形式存在，保持低温，将样品放入显微镜，高度相干的电子作为光源从上面照射下来，透过样品和附近的冰层，受到散射，利用探测器和透镜系统把散射的信号成像记录下来，再进行信号处理，最后利用三维重构的技术得到样品的三维结构。冷冻电镜非常适合结构生物学、细胞生物学、微生物学、神经生物学等领域开展单颗粒分析、电子断层成像、微晶衍射等方面的研究。精密地解析以蛋白质为代表的生物大分子的三维结构（分辨率优于4Å）可以帮助人们理解一些生命现象并且有效应用来推动社会的进步，通过冷冻电镜可以精准了解到生物体内发挥特定功能的蛋白质靶点位点，这将有助于医药的开发。