结构生物学（冷冻电镜CRO）

01概述和价值链

标记： [EC: PDB / wwPDB validation + FSC 0.143 gold standard | OECD: Genomics & bioinformatics | Regulator: FDA (USA), EMA (EU), NMPA (China)]

冷冻电子显微镜（冷冻电镜/cryo-EM）已将生物大分子结构测定转变为基于 结构药物设计（SBDD）的B2B合同研究管线。它将蛋白质玻璃化于一层非晶态 冰薄膜中，并从数千张低剂量2D投影图像重建原子级3D图谱，绕过了X射线 晶体学对GPCR、离子通道等膜蛋白往往耗时数年的失败结晶。如今药物研发 者在数周内即可获得可用于设计的靶点图谱。技术栈从玻璃化（Thermo Scientific Vitrobot）经300 kV冷冻TEM（Titan Krios G4）和直接电子 探测器（Falcon 4i / Gatan K3），到计算重建（RELION、cryoSPARC）与 原子模型搭建（Phenix、Coot），交付经验证的PDB坐标。这些结构支撑由 FDA、EMA和NMPA监管的申报，分辨率以傅里叶壳层相关（FSC）0.143金标准 验证并按wwPDB规则存放。本投影中的六家机构涵盖硬件骨干（Thermo Fisher、 Gatan）与CRO层（NanoImaging Services、WuXi AppTec、Proteros、Gandeeva）。

冷冻电镜结构生物学服务的主要方向：

1. 取代X射线晶体学： 无需结晶即可获得难解膜蛋白的原子结构。
2. 设计级分辨率： 直接电子探测器与精修将图谱推至约2-3 Å，足以进行合理的抑制剂设计。
3. 冷冻电镜 + 机器学习： 将实验结构与ML结合预测相结合，用于先导物发现。
4. 片段与筛选服务： 冷冻电镜与化合物库/片段筛选耦合为单一CRO方案。

行业价值链

[样品制备] ──> [玻璃化] ──> [载网筛选] ──> [数据采集]
                                    │
                            （原子重建）
                                    │
                                    ▼
[PDB验证交付] <─── [模型搭建] <─────┘

价值链层级

该行业的跨领域技术：

• cryo-em： 配备直接电子探测器的300 kV（Titan Krios）单颗粒冷冻电镜。
• x-ray-crystallography： 互补的同步辐射晶体学（如ESRF线站）。
• structure-prediction： 与实验冷冻电镜图谱集成的AlphaFold模型。

02美国

美国在冷冻电镜商业化方面领先，结合了显微镜垄断、专业CRO以及药企资助 的仪器联盟。

显微镜垄断、专业CRO、ML集成发现

• Thermo Fisher Scientific (FEI)： 300 kV Titan Krios G4（Cold-FEG、SelectrisX能量过滤器、Falcon 4i探测器）、200 kV Glacios以及EPU自动采集软件的近乎垄断供应商。
• NanoImaging Services： 美国冷冻电镜CRO，在ISO 9001 / GLP质量体系下为药物发现提供结构测定和脂质纳米颗粒表征。
• Gandeeva Therapeutics（温哥华）： 将冷冻电镜与ML结合预测集成的SPOTLIGHT平台；2026年6月与Zymeworks合作以加速抗体药物发现。
• 药企仪器联盟： Pfizer、Amgen和Bristol Myers Squibb联合汇集数百万美元的Titan Krios产能，用于内部SBDD管线。

03中国

中国正在实施全球最大规模的国家资助冷冻电镜产能扩张，力图以解出结构的 体量占据主导。

产能扩张、CRO集成、国产TEM

• 西湖大学（杭州）与清华大学（北京）： 拥有全球最大的冷冻电镜园区，西湖大学以24/7模式运行十余台Titan Krios系统。
• WuXi AppTec（上交所603259）： 顶尖CRO，其结构生物学部门将冷冻电镜整合进面向全球客户的化合物库筛选服务。
• 国产TEM计划： 国家投资自主300 kV冷冻TEM系统，以降低对进口Thermo Fisher / FEI仪器的依赖。

04欧盟

欧盟将深厚的结构生物学学术积淀、领先的重建软件、优质CRO与最严格的 验证规则结合在一起。

软件领先、同步辐射+CRO、EMA验证

• RELION（英国剑桥MRC LMB）： Sjors Scheres的软件包与cryoSPARC并列，为全球冷冻电镜3D重建设定事实算法标准。
• ESRF（格勒诺布尔）与EMBL（海德堡）： 共享结构生物学准入，将同步辐射晶体学与冷冻电镜结合。
• Proteros biostructures（德国）与NovAliX（法国）： 在欧盟质量体系下提供冷冻电镜、片段筛选和配体亲和力分析的优质SBDD CRO；Proteros与Axcelead合作服务日本客户。

05领先公司和研究机构

06技术栈和创新

该技术栈涵盖玻璃化物理、直接电子探测与计算重建。

1. 玻璃化与300 kV冷冻TEM：
   • Vitrobot将载网投入约-160 °C的液态乙烷，以足够快（每秒数十万度）的速率冷却薄膜，使水冻结为非晶冰而非破坏性晶体。
   • Titan Krios G4以300 kV、Cold-FEG源、SelectrisX能量过滤器和Falcon 4i探测器对载网成像，通过EPU在12个自动上样载网上自动采集。
2. 直接电子探测与重建：
   • 直接探测器（Gatan K3、Falcon 4i）在高帧率下逐个计数电子，支持基于电影的漂移校正；cryoSPARC和RELION随后完成CTF估计、基于CNN的颗粒挑选、2D分类和3D精修，分辨率约2-3 Å。
3. 模型搭建与PDB验证：
   • Phenix和Coot将氨基酸序列拟合进密度图，分辨率经FSC 0.143标准验证后存放于wwPDB并向B2B客户交付坐标。

07价值链和生产管线

冷冻电镜GPCR靶点结构的工业管线（PDB验证）

┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 1. 样品制备               │ ───> │ 2. 玻璃化                 │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
                                                 │
                                                 ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 4. 数据采集（Krios）      │ <─── │ 3. 载网筛选               │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
              │
              ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 5. 3D重建                 │ ───> │ 6. 模型与PDB交付          │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘

阶段 1：样品制备

GPCR靶点在CHO或Sf9细胞中表达，经亲和与分子排阻色谱纯化至同质性高于98%。

阶段 2：玻璃化

在Vitrobot中将数微升蛋白加到经辉光放电处理的载网上，投入约-160 °C的液态乙烷形成非晶冰。

阶段 3：载网筛选

在200 kV Glacios上筛选载网以评估冰厚和颗粒取向，挑选具有最佳薄冰层的载网用于采集。

阶段 4：数据采集

将选定载网装入300 kV Titan Krios，EPU自动在Falcon 4i直接探测器上采集数千部高分辨电影。

阶段 5：3D重建

cryoSPARC或RELION完成运动校正、CTF估计、颗粒挑选、分类与精修，给出经FSC 0.143验证的密度图。

阶段 6：模型搭建与PDB交付

Phenix和Coot将原子模型拟合入图谱，验证几何学，坐标存放于wwPDB并交付客户用于合理药物设计。