Die Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) ist eine Form der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), bei welcher biologische Proben bei kryogenen Temperaturen (≲ −150 °C) untersucht werden.

Bei der herkömmlichen Elektronenmikroskopie einer biologischen Probe bei Raumtemperatur muss vor der Untersuchung das Wasser aus der Probe entfernt werden. Dabei muss die Probe einen langwierigen und fehleranfälligen Prozess durchlaufen, bei welchem sie mit verschiedenen Probenvorbereitungen behandelt und das in ihr enthaltene Wasser sukzessive durch ein Kunststoff-Einbettmedium ersetzt wird. Im Rahmen dieser Behandlung können sich in der Probe Artefakte (Strukturveränderungen) durch die Behandlung bilden, welche letztendlich das Ergebnis verfälschen oder zu Fehlinterpretationen führen können. Die Kryo-Elektronenmikroskopie ermöglicht eine Abbildung des untersuchten Objektes nahe am nativen Zustand.

Ein Kryo-Elektronenmikroskop als solches existiert im Grunde nicht. Jedes Transmissionselektronenmikroskop ist mit einer sogenannten Kühlfalle ausgestattet. Diese schützt die Probe während der Exposition gegenüber dem Kathodenstrahl vor Kontaminationen und sorgt für eine Verbesserung des Feinvakuums im Bereich der Probe. Die Kombination einer extrem leistungsfähigen Kühlfalle (im Besonderen sogenannte Kryoboxen) mit einem gekühlten Probenhalter, der einen wärmeleitfähig verbundenen Tank für flüssigen Stickstoff besitzt, erzeugt ein Kryo-Elektronenmikroskop. Durch die vermehrte Verwendung der Forschungsmethode seit ca. 2005 bauen die führenden Hersteller von Transmissionselektronenmikroskopen auch dedizierte Kryo-Elektronenmikroskope.

In der Kryo-Elektronenmikroskopie wird die Probe ultraschnell schockgefroren bzw. präziser formuliert: vitrifiziert. Es können typischerweise Kühlraten von >10.000 K/s erreicht werden. Vorhandenes Wasser erstarrt zu amorphem Eis. Insbesondere werden Kryo-Elektronenmikroskope verwendet, um komplexe Proteinstrukturen zu analysieren. Dabei werden die Strukturen innerhalb von Sekundenbruchteilen durch tiefkalte Flüssigkeiten wie flüssigem Stickstoff oder flüssigem Helium auf Temperaturen unter −150 °C (123 K) gekühlt.

Über eine im Gerät verbaute Verstelleinrichtung wird das Präparat aus verschiedenen Winkeln analysiert.

Aus den erhaltenen Daten kann mit einer Routine eine 3-D-Struktur generiert werden. Die Routine wurde durch Joachim Frank maßgeblich mitentwickelt. Die Auflösung kryo-elektronenmikroskopisch ermittelter 3-D-Strukturen erreicht derzeit 0,2 Nanometer^[1] und besser.

Die Kryo-Elektronenmikroskopie wurde von dem Schweizer Chemiker Jacques Dubochet am European Molecular Biology Laboratory entwickelt und von Joachim Frank und Richard Henderson weiterentwickelt. 2017 wurden alle drei für ihre Arbeit mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.^[2]

Einen Vergleich unterschiedlicher elektronenmikroskopischer Arbeitstechniken mit der Kryo-Elektronenmikroskopie zeigt eine Arbeit zur Charakterisierung des Mycobacterium smegmatis.^[3]

1. ↑ Resolution advances in cryo-EM enable application to drug discovery Curr Opin Struct Biol. 2016 Dec;41:194-202. doi: 10.1016/j.sbi.2016.07.009.
2. ↑ Informationen der Nobelstiftung zur Preisverleihung 2017 an Jacques Dubochet, Joachim Frank, Richard Henderson (englisch)
3. ↑ Bleck CK, Merz A, Gutierrez MG, Walther P, Dubochet J, Zuber B, Griffiths G: Comparison of different methods for thin section EM analysis of Mycobacterium smegmatis., J Microsc. 2010 Jan;237(1):23-38, PMID 20055916