生命活动的关键密码在于核酸和蛋白质，核酸因携带遗传物质备受科研界关注，而蛋白质作为生命活动的紧张实行者，其构造解析在1960年代崛起。X射线晶体学成像、核磁共振在此前的近80年韶光里是生物分子模型的两大紧张获得手段。
X射线晶体学是最早用于构造解析的实验方法之一。个中关键步骤之一即是，为得到可供X射线衍射的单晶，须要将纯化后的生物样品进行晶体成长。现实情形却是，目前很多繁芜的大分子物质难以得到晶体。
而核磁共振能解析在溶液状态下的蛋白质构造，因此被认为比晶体构造更能够描述生物大分子在细胞内的真实构造，并且能得到氢原子的构造位置。缺陷则在于蛋白质在溶液中每每构造不稳定而难得获取稳定的旗子暗记。
因此，无论是X射线晶体学成像还是核磁共振，都不能让研究者得到高分辨率的大型蛋白复合体构造，生物构造学领域的发展也因此受困于成像技能。2013年景为了一道分水岭，冷冻电镜在这一年臻于成熟。
冷冻电镜打开了长期结束的局势。研究职员无需将大分子样品制成晶体，通过对运动中的生物分子进行冷冻，即可在原子层面上进行高分辨成像。
随后，蛋白质或复合蛋白构造解析领域诸多被称为诺奖级的论文陆续揭橥，背后的利器正是冷冻电镜，这项技能运用也正式迎来井喷式发展阶段。2015年，国际著名期刊《自然》旗下子刊Nature Methods就将冷冻电镜技能评为年度最受关注的技能。
海内冷冻电镜运用领域的领军人物，中国科学院院士、构造生物学家、清华大学副校长施一公在今年5月曾表示，冷冻电镜的发展像是一场剧烈的革命。“就目前发展前景来看，冷冻电镜技能是可与测序技能、质谱技能相提并论的第三大技能！
”
这项被诺贝尔奖官方称为“使得生归天学进入一个新时期”的技能，其故事的源头则要回到1970年代的理查德•亨德森，他将生物分子的不雅观察武断地引入了电子显微镜这一起径。
X射线晶体学的天花板
出生于苏格兰，现年72岁的理查德•亨德森被公认为是这场高分辨率不雅观察生物大分子革命背后的发起者。
亨德森于1969年在剑桥大学分子生物学实验室得到X射线晶体学领域的博士学位，此前则是爱丁堡大学物理学背景。博士毕业后在耶鲁大学做博士后研究，终极于1973年回到剑桥大学至今，目前为剑桥大学MRC分子生物学实验室的主任。
起初，亨德森试图用传统的X射线晶体学对一种细胞膜中的内嵌蛋白成像，然而晶系统编制备这一根本关就难以超过，内嵌蛋白一旦分开细胞膜，构造迅速坍塌。数年研究无果后，亨德森意识到X射线晶体学已经到了蛋白质构造解析的天花板，必须将目光投向另一种成像技能。
亨德森迷茫之际，冷冻电镜的雏形刚刚建立。
1968年，同样在剑桥大学MRC分子生物学实验室里，Aron Klug和他的学生DeRosier在Nature上揭橥了一篇关于利用电子显微镜照片重构噬菌体病毒尾部三维构造的论文，提出并建立了电子显微三维重构的一样平常观点和方法。Aron Klug因此得到1982年诺贝尔化学奖。
1974年，加州大学伯克利分校的Robert Glaeser和他学生Ken Taylor 首次提出冷冻电镜，并测试了冷冻含水生物样品的电镜成像，目的在于降落高能电子对分子构造的损伤，并因此实现高分辨成像。
揭开生物分子的原子层面纱
1975年，这一年间隔电子显微镜出身已有40年旁边韶光，其运用在“去世”物质里风起云涌，在生物学领域却被普遍认为“不适用”。强电子束、真空腔，这些环境使得生物样品注定被毁坏。
然而，亨德森在细菌视紫红质（bR，能接管光能）上的考试测验，证明了电子显微镜在生物领域的适用性。
亨德森将未分开细胞膜的细菌视紫红质直接放置在电子显微镜下进行不雅观察，借助表面覆盖的葡萄糖防止真空干涸，并采取强度更低的电子束流，得出细菌视紫红质在细胞膜上是规整排列且朝向同等。之后，在前述Aron Klug等人提出的三维重构技能的根本上，亨德森和同事得到了细菌视紫红质较为粗糙的三维立体构造图像。这也是历史上第一张膜蛋白领域的三维构造。
这张图像的分辨率达到7埃（Å，相称于0.7纳米），已经是当时电子显微镜得到的历史最佳蛋白图像。但亨德森的目标是分辨率达到3埃旁边，这一清晰水平才能和此前的X射线晶体学成像大致相称。
15年后，也便是1990年，亨德森再次对外发布了分辨率达到原子层面的细菌视紫红质立体图像，这一打破性成果有力证明了用电子显微镜进行生物分子成像的潜力。
如果说亨德森武断选择了高分辨率不雅观察生物大分子这条路，那么约阿基姆•弗兰克（Joachim Frank）则是冷冻电镜单颗粒剖析的鼻祖，耗费十余年韶光完成单颗粒三维重构算法及软件Spider。同样是在1975年，弗兰克（Joachim Frank）开始思考如何对电子显微镜得到的二维平面模糊图像进行剖析和叠加处理，终极得到更高分辨率的三维立体图像。
1981年，弗兰克完成了一种算法，利用打算机识别图像把相同蛋白质的不同影子网络起来，并且将轮廓相似的图像进行分类比拟，通过剖析不同的重复模式将图片拟合成更加清晰的2D图像。在此根本上，通过数学方法，在同一种蛋白质的不同2D图像之间建立联系，以此为根本拟合出3D构造图像。弗兰克的图形拟正当式被认为是冷冻电镜发展的根本。
雅克•迪波什（Jacques Dubochet）的主要贡献则是在真空环境下使生物分子保持自然形状。险些是在同期的1978年，迪波什开始办理电子显微镜领域的样品干涸并遭毁坏的问题。如前所述，亨德森在细菌视紫红质成像是曾用葡萄糖来保护样品，但这种方法并不普遍适用。
迪波什得出的方法是对生物样品进行玻璃化（vitrifying water）。一样平常情形下，通过氢键的相互浸染，水分子会在凝固过程中形成有序排列，形成晶体。而迪波什想到的即是在水分子相互浸染之前就让其凝固，将生物样品浸入事先经液氮冷却的乙烷中，就能使水迅速冷却、在数毫秒之内完备凝固，这种办法得到的就不是晶体而是无定形态，而玻璃也是处于无定形态，玻璃化名称由此而来。生物样品嵌在无定形冰中，堪称留下了真实的一瞬间。
1982年，迪波什开拓出真正成熟可用的快速投入冷冻制样技能制作不形成冰晶体的玻璃态冰包埋样品。1984年，迪波什首次发布不同病毒的构造图像。
至此，相对随意马虎地利用电子显微镜不雅观察生物大分子的要素基本集齐。
当然，冷冻电镜时期的真正来临，还得益于样品制备技能、新一代电子探测器发明、软件算法优化等多方面技能的进步。2013年，加州大学旧金山分校（UCSF）)程亦凡和David Julius 的研究组用冷冻电镜首次得到膜蛋白TRPV1 的3.4 埃靠近原子级别高分辨率三维构造，这一结果被视为具有里程碑意义。
海内对付诺奖级助手的激情亲切
2013年开始，冷冻电镜成为了诸多诺奖级论文成果的得力助手。在中国海内，这一方面的领军人物是中国科学院院士、构造生物学家、清华大学副校长施一公，其关于剪切复合体的研究基本都利用了冷冻电镜技能。
上世纪九十年代中期，清华大学隋森芳院士、中山大学张景强教授、中科院生物物理所徐伟研究员等人开始研究冷冻电镜。真正的布局则在2010年之前，彼时冷冻电镜正蓄势待发。
2009年8月25日上午，清华大学医研院—FEI电子显微镜互助具名仪式暨亚洲首台KRIOS冷冻电镜安装落成仪式在医学科学楼举行，时率性命科学与医学研究院副院长施一公在互助协议上具名。FEI TITAN KRIOS 300千伏透射电镜是天下上最前辈的高分辨场发射冷冻透射电镜，彼时在世界范围内安装完成不超过10台。
随后，北京大学医学院、中科院生物物理所也相继采购冷冻电镜。2017年5月，浙江大学更是自筹资金6000万建立冷冻电镜中央，一举成为目前国际上设备配置最完好、技能覆盖面最广泛的冷冻电镜中央之一。
到场参加浙江大学冷冻电镜中央成立庆典仪式的施一公当时发言称，冷冻电镜的发展像是一场剧烈的革命。“就目前发展前景来看，冷冻电镜技能是可与测序技能、质谱技能相提并论的第三大技能！
”
幸运的是，在业内看来，中国在冷冻电镜的运用方面并不掉队。
