當(dāng)時(shí)，電子顯微鏡主要用于研究用重金屬染過(guò)色的病毒或組織切片。一束光子打在樣本上，新生的電子被檢測(cè)到，被用于解析樣本結(jié)構(gòu)。這種方法成功制作了第一幅病毒的精微圖片——一種煙草病毒。但染色導(dǎo)致無(wú)法看清各個(gè)蛋白，更不要說(shuō)原子細(xì)節(jié)了。Agarad表示，樣本上要么滿是斑點(diǎn)，要么沒(méi)染上，你只能看到分子的輪廓。
Herderson等人省略了染色的步驟，把菌視紫紅質(zhì)的單層晶體放到金屬網(wǎng)格中，然后用電子顯微鏡進(jìn)行成像。Agard表示，這個(gè)過(guò)程里，你看到的是蛋白的原子。這在當(dāng)時(shí)是很大的進(jìn)步，因?yàn)楫?dāng)時(shí)人們都認(rèn)為不可能利用電子顯微鏡解析蛋白結(jié)構(gòu)。Henderson等人在1975年發(fā)表了這一成果。
20世紀(jì)80年代和90年代，低溫電子顯微鏡領(lǐng)域發(fā)展迅速。一個(gè)關(guān)鍵性突破是利用液態(tài)乙烷來(lái)快速冷凍蛋白溶液。這也是為什么叫低溫電子顯微鏡的原因。但這個(gè)技術(shù)的分辨率僅為1納米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到針對(duì)蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)的需求。而當(dāng)時(shí)X射線晶體衍射的分辨率能達(dá)到0.4納米。NIH等資助者投入了數(shù)億美金來(lái)支持蛋白晶體領(lǐng)域的發(fā)展，但對(duì)于低溫電子顯微鏡領(lǐng)域的資助卻很少。
1997年，Henderson參加了高登研究會(huì)議（Gordon Research Conference ）關(guān)于3D電子顯微鏡的年會(huì)。一位同事以這樣的話做為開(kāi)幕致詞，“低溫電子顯微鏡技術(shù)非常有限，不可能超越X射線晶體衍射?！?但Henderson的想法完全不同，在下一場(chǎng)發(fā)言中，他做出了反擊。Henderson指出，低溫電子顯微鏡會(huì)超越其它各種技術(shù)，成為全球研究蛋白結(jié)構(gòu)的主流工具。
革命由此開(kāi)始
在此之后，Henderson等人致力于提高電子顯微鏡的性能——尤其是感知電子的靈敏度。在數(shù)碼相機(jī)席卷全球很多年后，很多電子顯微鏡學(xué)家仍然傾向于使用傳統(tǒng)的膠片，因?yàn)楸绕饠?shù)碼感應(yīng)器，膠片能更有效地記錄電子。與顯微鏡生產(chǎn)商合作時(shí)，研究者們發(fā)明了一種新的直接電子探測(cè)器，這種探測(cè)器的靈敏度遠(yuǎn)高于膠片和數(shù)碼相機(jī)探測(cè)器。
大約在2012年，這種探測(cè)器能夠以一分鐘幾十幀的高速得到單個(gè)分子原子的連續(xù)圖像。同時(shí)，和Scheres一樣的研究者們精心編寫了將多張2D圖片建成3D模型的軟件程序。這些3D圖像的畫質(zhì)可以媲美X射線晶體衍射獲得的圖像。
低溫電子顯微鏡適用于研究大的、穩(wěn)定的分子，這些分子能夠承受電子的轟擊，而不發(fā)生變形——由多個(gè)蛋白組成的分子機(jī)器是最好的樣本。因此由RNA緊緊圍繞的核糖體是最佳的樣本。三位化學(xué)家用X射線晶體衍射研究核糖體溶液的工作在2009年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，但這些工作花了幾十年。近幾年，低溫電鏡研究者們也陷入了“核糖體熱”。多個(gè)團(tuán)隊(duì)研究了多種生物的核糖體，包括人類核糖體的首個(gè)高清模型。X射線晶體衍射的研究成果遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于LMB的Venki Ramakrishnan實(shí)驗(yàn)室，Venki獲得了2009年的諾獎(jiǎng)。Venki表示，對(duì)于大分子來(lái)說(shuō)，低溫電子顯微鏡遠(yuǎn)比X射線晶體衍射要實(shí)用。
這幾年，低溫電子顯微鏡的相關(guān)文章有很多：2015年一年，這個(gè)技術(shù)就用于100多個(gè)分子的結(jié)構(gòu)研究。X-射線晶體衍射只能對(duì)單個(gè)、靜態(tài)的蛋白晶體成像，但低溫電子顯微鏡能夠?qū)Φ鞍椎亩喾N構(gòu)象進(jìn)行成像，幫助科學(xué)家們推斷蛋白的功能。
5月，多倫多大學(xué)（University of Toronto）結(jié)構(gòu)生物學(xué)家John Rubinstein等人使用了100，000張低溫電子顯微鏡圖片來(lái)生成V-ATPase 的“分子電影”，V-ATPase的作用是消耗ATP，把質(zhì)子運(yùn)進(jìn)運(yùn)出細(xì)胞液泡?！蔽覀儼l(fā)現(xiàn)，這個(gè)酶非常靈活，可以彎折、扭曲和變型?！?Rubinstein說(shuō)道。他認(rèn)為，這是由于這個(gè)酶的靈活性，它能夠高效地把ATP 釋放的能量傳遞到質(zhì)子泵。
