冷凍電子顯微鏡（cryo-electron microscopy）
/ CRY-oh; cryo-EM /
要理解一台分子機器在做什麼，能看見它的形狀會幫上大忙——可蛋白質對任何光學顯微鏡來說都太小了。幾十年來，獲得原子解析度結構的主要途徑是X射線晶體學，它要求把蛋白質哄成晶體——而對生物學中許多最有意思的分子來說，這一步根本做不到。冷凍電子顯微鏡是一種更新的看蛋白質形狀的辦法，它徹底繞開了晶體。
竅門是這樣的。你取一份充滿你那種分子的眾多拷貝的水樣，把它凍得極快，使水變成玻璃般的冰而非晶體，把每個分子以隨機朝向凍結住——就像一群昆蟲在飛行途中被瞬間凍住。然後一束電子（其波長小到足以分辨原子）一次成像成千上萬個這樣的分子，每個都來自不同角度。圖像雜訊很大、分子又隨機傾斜，於是強大的電腦對這幾萬張二維快照進行分類，把同一角度拍到的歸在一起，再把所有角度合起來重建出一個三維結構——很像CT掃描儀用許多平面X光片建出一個三維身體。2013年前後偵測器和軟體的一場革命（「解析度革命」）把它推進到接近原子級的細節。
冷凍電鏡改變了結構生物學，因為它能解出晶體學從來解不了的結構：龐大、柔軟、嵌在膜裡的機器，比如核糖體、離子通道，以及病毒的棘蛋白——這項工作贏得了2017年的諾貝爾獎。它誠實的侷限依然存在：它過去對小蛋白質很吃力，圖像雜訊極大以致重建可能引入假象，而且分子是被凍住的，給出的是一張快照而非一段運動的影片。它是現代結構生物學組合拳的一半，另一半是AlphaFold等工具的計算預測。
在新冠病毒基因組公布後的幾週內，冷凍電鏡就給出了冠狀病毒棘蛋白接近原子級的結構。看清它確切的形狀，告訴了疫苗設計者該靶向哪個部位——這是結構即時指導醫學的生動例子。
冷凍、從各個角度成像、三維重建——無需晶體。
冷凍電鏡給出的是被凍住分子的一張快照，而非其運動的影片，而它雜訊極大的圖像意味著重建可能含有假象——它是對晶體學和計算預測的補充，而非取代。