了解生物分子如何发挥作用和相互作用是生物化学的基础，并且可以帮助开发新药和医疗治疗方法，但这些生物分子与高真空条件和透射电子显微镜等技术中使用的强电子束不兼容。

早在20世纪60年代，科学家们就意识到，尽管透射电子显微镜（TEM）能够让他们在原子尺度上观察分子和材料的结构，但这项技术对于精细的生物分子来说过于苛刻。在TEM中，电子束穿过非常薄的样品并与分子相互作用，从而在探测器上产生样品的图像。然而，这项技术破坏性很强，会蒸发分子周围的水分，并用高能电子束灼烧或摧毁分子。

科学家们考虑了一种名为低温电子显微镜的透射电子显微镜（TEM）的变体，它使用更柔和的电子束、更低的温度（从而减少电子束造成的损伤）以及更先进的图像处理软件。该技术的开发始于20世纪70年代，但直到近年来探测器技术、软件算法和自动化技术的进步才得以推进。该技术使科学家能够以近原子分辨率观察蛋白质、核酸和其他生物分子的复杂结构，并研究它们在执行功能时如何运动和变化。

该过程始于玻璃化冷冻；将生物分子（通常是溶液中的蛋白质）置于网格上，然后浸入液态乙烷中冷冻。样品被快速冷却，周围的水分子甚至来不及结晶，形成无定形固体，且在此过程中样品结构几乎未受任何损伤。对样品进行颗粒浓度、分布和方向的筛选。获取一系列图像，并通过计算提取二维类别。数据经重建软件处理，生成亚细胞和分子尺度复杂生物结构的精确三维模型。

这项历时四十年的技术，于2017年为三位科学家赢得了诺贝尔化学奖：瑞士洛桑大学的雅克·杜波切特（Jacques Dubochet）、美国纽约哥伦比亚大学的约阿希姆·弗兰克（Joachim Frank）以及英国剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室的理查德·亨德森（Richard Henderson）。该技术可以提供以往无法可视化的相互作用信息。

低温电子显微镜（cryo-EM）的最大优势在于它能够分析大型、复杂且灵活的结构，是核磁共振（NMR）波谱X射线晶体学的替代方法。这包括许多具有可变或灵活结构的生物学重要蛋白质，例如膜蛋白。

虽然X射线晶体学可以用来获取高分辨率结构，但它需要分子结晶；许多蛋白质在此过程中表现不佳，因为它们的结构发生了改变，因此即使结晶，也无法准确地代表分子。冷冻电镜不需要晶体，它可以让科学家观察生物分子的运动和功能，而这在晶体学中要困难得多。

NMR 也能揭示非常详细的结构，但仅限于研究相对较小的蛋白质或其部分，包括可溶性细胞内蛋白质，而非嵌入细胞膜的蛋白质。冷冻电镜则允许科学家研究更大的蛋白质，包括膜结合受体或多个生物分子的复合物。

尽管冷冻电镜的最初发展被推迟，直到显微镜设计、成像硬件、增强图像处理和自动化技术取得进步，但它已经彻底改变了结构生物学。它已成为实验室中最关键的工具之一，使科学家能够以高分辨率测定溶液中生物分子的结构。