Nature Methods：REEL分析，低辐射条件下的生物大分子元素定位革命

在现代生命科学研究中，揭示生物大分子的元素组成及其在三维空间中的分布是理解它们功能机制的关键。冷冻电子显微镜（cryo-EM）技术的广泛应用，使研究人员得以可视化复杂的大分子复合物的结构，从而获得前所未有的见解。然而，即使有了这样的技术，在精确定位某些关键元素时仍面临显著的挑战，尤其是金属离子、辅因子、底物和脂质等非蛋白质组分。这些元素在生物活性和细胞调控中扮演着至关重要的角色，比如在酶的催化作用、电子传递、以及维持结构稳定性等过程中起到重要作用。因此，精确确定这些元素的位置及其结合状态，对于深入理解生物大分子的机制是不可或缺的。

现有的冷冻电子显微镜单颗粒分析（single-particle analysis，SPA）在解析大分子复合物结构时，通常依赖大量的先验信息，比如肽链或核苷酸序列、键长和键角等来构建原子模型。然而，当涉及金属离子、辅因子和脂质等非蛋白质成分时，先验信息往往十分有限，导致结构解析存在较大的误差。据研究估计，蛋白质数据库（PDB）中的金属蛋白结构约有三分之一至一半存在金属离子定位错误，这不仅影响对大分子整体功能的理解，还可能导致对其生物化学性质的误判，从而对药物设计和疾病机制研究带来潜在影响。

目前，已有的一些元素分析技术如X射线荧光光谱、X射线吸收光谱和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等，虽然能够分析纯化复合物的元素组成，但它们无法区分元素是否特异性结合，也难以应对多个结合位点的复合物。此外，能量分散X射线光谱（EDX）和电子能量损失光谱（EELS）虽可以在电子显微镜中提供元素信息，但需要高辐射剂量，对于辐射敏感的生物样品来说会损伤样品的结构，从而影响实验结果。尤其是那些在特定环境下才能保持稳定的大分子，这种高剂量辐射可能会破坏它们的天然状态，使得测得的数据无法真实反映它们在生理条件下的实际情况。因此，开发一种既能保证样品完整性，又能实现高分辨率元素定位的新方法是非常必要的。

为了解决上述问题，Nature Methods的研究报道 Elemental mapping in single-particle reconstructions by reconstructed electron energy-loss analysis ，研究团队开发了一种称为重建电子能量损失分析（Reconstructed Electron Energy-Loss，REEL）的新方法。REEL结合了扫描透射电子显微镜（STEM）中的电子能量损失光谱（EELS）与类似于SPA的图像处理流程，通过对多个相同颗粒的光谱图像进行三维重建，以实现高剂量累积并精确定位大分子中的元素。该方法通过将多个低剂量图像的信息整合在一起，从而在不损伤样品的前提下实现了元素的高分辨率定位，这对于辐射敏感样品的研究极为重要。