크리오전자 현미경

크리오전자 현미경의 핵심 작업 과정 중 하나는 초저온 샘플 준비이다. 이 과정은 액체 상태의 생물학적 시료를 급속 냉각하여 유리질 상태의 고체로 변환하는 것을 목표로 한다. 시료를 물이나 버퍼 용액에 현탁한 후, 특수한 그리드에 얇은 막으로 도포한다. 이 그리드는 액체 에탄이나 액체 질소와 같은 냉매에 순간적으로 담가 급속 냉각된다.

급속 냉각의 속도는 매우 빨라, 시료 내 물 분자가 결정을 형성할 시간 없이 유리질 상태로 고정된다. 이렇게 형성된 비정질 얼음은 시료의 자연스러운 수화 상태를 보존하며, 고전적인 화학적 고정 및 진공 건조 과정에서 발생할 수 있는 구조적 손상을 최소화한다. 이는 특히 단백질 복합체나 세포 소기관과 같은 정밀한 생체 분자의 구조를 연구할 때 결정적이다.

준비된 샘플은 이후 분석을 위해 현미경 내부의 초저온 스테이지로 이송된다. 이 스테이지는 샘플이 분석 중에도 극저온(일반적으로 액체 질소 온도인 -196°C 근처)을 유지하도록 설계되어 있다. 이렇게 함으로써 전자선에 의한 방사선 손상과 진공 환경에서의 시료 변성을 효과적으로 억제할 수 있다.

크리오전자 현미경에서 초저온 상태로 준비된 샘플은 고전압으로 가속된 전자선을 조사받는다. 이 전자선은 샘플을 투과하며, 샘플 내 원자들의 상호작용에 의해 산란된다. 이때 발생하는 다양한 산란 각도의 전자들은 샘플의 3차원 구조에 대한 정보를 담게 된다. 투과된 전자들은 렌즈 시스템을 통해 확대되어 검출기에 도달한다.

검출기는 이 투과 전자 신호를 포착하여 2차원 투영 이미지로 변환한다. 이 과정에서 샘플의 밀도와 두께 차이에 따른 대비가 형성된다. 특히 크리오전자 현미경은 샘플이 빙결 상태이기 때문에 전자선에 의한 방사선 손상이 현저히 줄어들어, 생체 분자와 같은 민감한 샘플의 원래 구조를 보존하면서 고해상도 이미지를 얻을 수 있는 기반을 마련한다.

얻은 2차원 투영 이미지는 단일 입자 분석이나 토모그래피와 같은 기법을 통해 3차원 구조로 재구성된다. 이를 위해서는 샘플을 다양한 각도로 기울여 수만 장에서 수십만 장에 이르는 다량의 2차원 이미지를 획득해야 한다. 이러한 원리를 통해 단백질 복합체나 바이러스 입자 등의 정밀한 3차원 구조를 규명할 수 있다.

크리오전자 현미경으로 획득한 원본 이미지는 매우 낮은 신호 대 잡음비를 가지며, 이는 시료가 전자선에 취약하여 저용량으로 촬영해야 하기 때문이다. 따라서 개별 이미지만으로는 고해상도 구조 정보를 얻기 어렵다. 이를 극복하기 위해 수천에서 수만 장에 이르는 동일한 입자의 2차원 투영 이미지를 수집한 후, 정교한 컴퓨터 알고리즘을 통해 정렬, 분류, 평균화 및 3차원 재구성 과정을 거친다. 이 과정을 단일 입자 분석이라고 한다.

이미지 처리의 핵심 단계는 다음과 같다. 먼저, 수집된 수만 장의 원시 이미지에서 개별 입자를 자동으로 탐지하고 추출한다. 추출된 입자 이미지들은 상호 상관관계 분석 등을 통해 방향을 정렬하고, 유사한 구조를 가진 입자들을 군집화하여 분류한다. 동일한 클래스에 속하는 입자 이미지들을 정렬하여 평균화하면 신호 대 잡음비가 획기적으로 향상된 2차원 평균 이미지를 얻을 수 있다.

최종적으로, 서로 다른 각도에서 촬영된 2차원 평균 이미지들을 이용해 3차원 구조를 재구성한다. 이는 컴퓨터 단층 촬영의 원리와 유사하며, 주로 필터 역투영법이나 기대값 최대화 알고리즘 같은 수학적 방법이 사용된다. 재구성된 3차원 구조는 원자 수준의 해상도로 생체 분자의 형태, 서브유닛 배열, 활성 부위 등을 가시화할 수 있게 해준다.

이러한 고도의 이미지 처리 및 재구성 과정은 강력한 컴퓨팅 파워와 전문 소프트웨어를 필요로 한다. 최근에는 인공지능과 딥러닝 기술이 이미지 분류 및 해상도 향상에 적용되며, 데이터 처리의 효율성과 정확성이 지속적으로 개선되고 있다.

크리오전자 현미경의 전자총 및 가속 시스템은 고해상도 이미지를 얻기 위한 고에너지 전자선을 생성하고 조절하는 핵심 장치이다. 이 시스템은 전자를 방출하는 음극, 전자를 가속시키는 양극, 그리고 생성된 전자선을 집속하고 조사하는 일련의 전자 렌즈로 구성된다. 크리오전자 현미경은 일반적으로 필라멘트나 쇼트키 전자총과 같은 열전자 방출 소스를 사용하여 안정적이고 밝은 전자선을 제공한다.

가속 시스템은 생성된 전자를 고전압으로 가속시켜 시료에 충분히 투과할 수 있는 높은 운동 에너지를 부여한다. 가속 전압의 범위는 응용 분야에 따라 조절되며, 생물학적 시료의 경우 비교적 낮은 전압을, 무기 나노 소재나 반도체 시료의 경우 더 높은 전압을 사용하는 것이 일반적이다. 이 가속된 전자선은 이후 콘덴서 렌즈를 통해 집속되어 시료에 조사된다.

전자총의 성능과 가속 전압의 안정성은 현미경의 최종 해상도와 이미지 대비에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 크리오전자 현미경은 이 시스템에 고정밀 전원 공급 장치와 정교한 제어 회로를 적용하여 전자선의 에너지 분산을 최소화하고 장시간 안정적인 운전을 보장한다. 이는 특히 단일 입자 분석이나 토모그래피와 같은 정량적 분석에서 매우 중요하다.

초저온 스테이지는 크리오전자 현미경의 핵심 구성 요소로, 시료를 극저온 상태로 유지하는 장치이다. 이 스테이지는 시료가 전자선에 노출되는 동안 액체 질소나 액체 헬륨을 이용해 시료를 -180°C 이하의 극저온으로 냉각한다. 이 과정은 시료의 생체 분자 구조를 고정하고, 전자선에 의한 방사선 손상을 최소화하는 데 필수적이다.

초저온 스테이지의 구조는 일반적으로 시료 홀더, 냉각 시스템, 정밀 위치 조절 장치로 구성된다. 시료 홀더는 금속 그리드에 얇은 탄소막을 입힌 형태로, 여기에 액체 에탄을 이용해 급속 냉동된 시료를 탑재한다. 냉각 시스템은 지속적으로 냉매를 공급하여 시료 주변의 온도를 균일하게 유지한다. 정밀 위치 조절 장치는 시료를 X, Y, Z축 방향으로 미세하게 이동시켜 관찰할 영역을 정확히 포착할 수 있게 한다.

이러한 초저온 환경은 생물학적 시료, 특히 단백질 복합체나 바이러스와 같은 큰 생체 분자의 고해상도 구조 분석을 가능하게 한다. 시료가 얼어붙은 상태에서 관찰되기 때문에 수화 상태에 가까운 자연스러운 형태를 유지할 수 있으며, 이는 구조생물학 연구에서 매우 중요한 요소이다. 또한 재료 과학 분야에서도 일부 민감한 나노 소재의 분석에 활용된다.

초저온 스테이지의 성능은 온도 안정성, 진동 제어, 그리고 시료 교체의 편의성에 따라 크게 좌우된다. 고성능 현미경은 시료 교체 시에도 스테이지 내부의 진공 상태와 저온을 유지하는 자동화된 로딩 시스템을 갖추고 있어, 시료 준비부터 데이터 수집까지의 워크플로우 효율을 높인다.

크리오전자 현미경의 검출기는 시료를 투과하거나 반사한 전자선을 포착하여 디지털 이미지로 변환하는 핵심 구성 요소이다. 초저온 상태의 시료에서 얻은 미세한 신호를 고감도로 검출하는 것이 중요하며, 이를 위해 다양한 유형의 검출기가 활용된다. 투과전자현미경에서는 주로 직접 전자 검출 카메라가 사용되며, 주사투과전자현미경 모드에서는 고체상 검출기나 실리콘 표류 검출기 등이 배치된다.

검출기의 성능은 최종 이미지의 해상도와 대비를 직접적으로 결정한다. 직접 전자 검출 카메라는 개별 전자를 직접 포착하여 디지털 신호로 변환하므로 매우 높은 신호 대 잡음비와 민감도를 제공한다. 이는 특히 저전자 선량으로 취득해야 하는 생물학적 샘플의 고해상도 구조 분석에 필수적이다. 반면, 주사전자현미경에서는 주로 이차 전자 검출기나 후방 산란 전자 검출기가 시료 표면의 형상과 구성 정보를 수집하는 데 사용된다.

크리오전자 현미경 시스템에서 검출기는 종종 데이터 수집 시스템과 긴밀하게 통합되어 작동한다. 고속 데이터 수집이 가능한 검출기는 단일 입자 분석이나 전자 단층촬영과 같은 고급 기법을 구현하는 데 필수적이다. 검출기 기술의 발전은 크리오전자 현미경이 원자 수준의 해상도에 근접하는 데 크게 기여해 왔다.

크리오전자 현미경의 데이터 수집 시스템은 초저온 상태에서 포착된 고해상도 이미지와 영상 데이터를 안정적으로 기록하고 처리하는 핵심 구성 요소이다. 이 시스템은 고속 디지털 카메라, 대용량 데이터 저장 장치, 그리고 실시간 이미지 처리 소프트웨어로 구성되어, 복잡한 생체 분자나 나노 소재의 3차원 구조를 정밀하게 재구성하기 위한 원본 데이터를 제공한다.

데이터 수집의 핵심은 고감도 직접 검출기(DDD)를 활용한 디지털 이미징 기술이다. 이는 전자선이 시료를 통과하거나 산란되어 생성되는 신호를 디지털 픽셀 데이터로 직접 변환하며, 기존의 필름 방식에 비해 훨씬 높은 신호 대 잡음비와 선형성을 확보한다. 이를 통해 미세한 콘트라스트 차이도 정확히 기록할 수 있어, 특히 빙각 상태의 생체 시료에서 약한 신호를 포착하는 데 필수적이다.

수집된 대량의 이미지 데이터는 실시간으로 처리되어 저장된다. 일반적인 단일 입자 분석 실험에서는 수만에서 수십만 장에 이르는 투영 이미지가 생성되며, 이는 테라바이트(TB) 수준의 대용량 저장 공간과 고속 데이터 전송 인터페이스를 필요로 한다. 데이터 수집 소프트웨어는 시료의 이동, 초점 조절, 이미지 자동 취득 등의 과정을 제어하며, 획득한 데이터에 메타데이터를 함께 기록하여 후속 처리 과정의 효율성을 높인다.

이렇게 체계적으로 수집된 원시 데이터는 전문적인 이미지 처리 및 3차원 재구성 소프트웨어로 이전된다. 데이터 수집 시스템의 안정성과 정밀도는 최종적으로 얻어지는 원자 수준 근접 해상도의 3차원 구조 모델의 품질을 직접적으로 결정하는 중요한 요소가 된다.

크리오전자 현미경은 구조생물학 분야에서 단백질, 바이러스, 세포 소기관 등의 고해상도 3차원 구조를 규명하는 데 핵심적인 도구로 활용된다. 기존의 투과전자현미경으로는 생체 분자의 자연 상태에 가까운 구조를 관찰하기 어려웠으나, 초저온 기술을 접목한 크리오전자 현미경은 시료를 빙점 이하의 온도에서 급속 냉동하여 생체 분자의 구조를 원형 그대로 보존할 수 있다. 이를 통해 수용액 상태의 분자 구조를 안정적으로 분석할 수 있게 되었다.

이 기술의 가장 큰 성과는 단백질 복합체와 같은 거대 생체 분자의 원자 수준에 가까운 구조를 해석할 수 있게 된 점이다. 특히 단일 입자 분석 기법과 결합하여, 동결된 개별 분자 입체 사진 수만 장을 획득하고 컴퓨터를 통해 평균화 및 3차원 재구성을 수행함으로써 고해상도 구조 모델을 생성한다. 이는 X선 결정학이나 핵자기 공명 분광법으로 분석이 어려웠던 큰 분자나 유연한 구조의 분자를 연구하는 데 필수적이다.

크리오전자 현미경을 통한 구조생물학 연구는 신약 개발에 직접적으로 기여하고 있다. 표적 단백질의 정확한 3차원 구조를 밝혀 약물이 결합하는 부위를 규명하고, 이를 바탕으로 보다 효과적이고 선택적인 약물 후보 물질을 설계하는 데 활용된다. 또한 바이러스의 외피 단백질 구조, 세포막 수용체의 구조와 기능, 리보솜과 같은 복잡한 분자 기계의 작동 메커니즘을 이해하는 데 결정적인 정보를 제공한다.

크리오전자 현미경은 바이러스학 연구에 혁신적인 도구로 자리 잡았다. 특히 바이러스의 외피 단백질 구조와 숙주 세포와의 상호작용을 원자 수준에 가까운 해상도로 규명하는 데 필수적이다. 기존의 엑스선 결정학으로는 분석이 어려웠던 큰 바이러스 입자나 불안정한 단백질 복합체의 구조를, 초저온 상태에서 포착하여 생체에 가까운 형태로 관찰할 수 있게 해준다. 이를 통해 코로나바이러스의 스파이크 단백질 구조가 밝혀져 백신 및 치료제 개발에 결정적인 정보를 제공했으며, 인플루엔자 바이러스나 HIV와 같은 다양한 병원체 연구에도 활발히 활용되고 있다.

이 기술의 핵심은 바이러스 입자를 빙각에 갇혀 있는 상태로 관찰하는 것이다. 시료를 액체 에탄에 급속히 동결시켜 결정이 아닌 비정질의 얼음 층에 포획함으로써, 바이러스의 자연스러운 구조를 보존하고 전자선에 의한 손상을 최소화한다. 이후 투과된 전자선을 통해 수만 장에서 수백만 장에 이르는 2차원 투영 이미지를 획득하고, 단일 입자 분석 기법을 통해 3차원 구조를 재구성한다. 이 과정을 통해 바이러스 캡시드의 정확한 배열, 유전물질과의 결합 방식, 숙주 세포 수용체와 결합하는 부위의 상세한 구조를 밝혀낼 수 있다.

크리오전자 현미경은 바이러스의 생활사 연구에도 적용된다. 바이러스가 숙주 세포에 침투하거나, 세포 내에서 조립되거나, 세포 밖으로 방출되는 등의 역동적인 과정을 포착하기 위해 크리오 전자 단층촬영 기술이 사용된다. 이 기술은 바이러스가 감염된 세포를 초저온 상태로 고정한 후, 다양한 각도에서 이미지를 촬영하여 세포 내부의 3차원 구조를 복원한다. 이를 통해 바이러스가 세포 내 소기관과 어떻게 상호작용하는지, 어떤 경로로 이동하는지에 대한 새로운 통찰을 제공하며, 항바이러스제의 작용 메커니즘을 이해하는 데도 기여하고 있다.

크리오전자 현미경은 세포 생물학 연구에 혁명을 가져온 도구이다. 기존의 전자 현미경 기술로는 관찰하기 어려웠던 생체 분자와 세포 소기관의 고해상도 3차원 구조를 생체에 가까운 상태로 포착할 수 있게 해준다. 특히 세포 내에서 단백질 복합체가 어떻게 상호작용하며 기능을 수행하는지를 원자 수준에 가깝게 시각화하는 데 핵심적인 역할을 한다.

이 기술의 가장 큰 강점은 시료를 초저온 상태로 급속 냉동하여 생체 내 본래의 구조를 그대로 보존한다는 점이다. 이를 통해 세포막, 리보솜, 미토콘드리아, 골지체 등의 복잡한 내부 구조를 왜곡 없이 관찰할 수 있다. 예를 들어, 세포 내 신호 전달 경로나 대사 과정에 관여하는 거대 분자 복합체의 정확한 배열과 형태를 규명하는 데 널리 활용된다.

주요 응용 사례로는 단일 입자 분석 기법을 통한 세포 소기관의 구조 해석이 있다. 이 방법으로 수많은 2차원 투영 이미지를 수집하여 3차원 재구성을 수행함으로써, 정상 상태와 병리적 상태에서의 세포 소기관 구조 변화를 비교 연구할 수 있다. 또한 크리오전자 현미경 토모그래피를 적용하면 세포의 한 부분을 다양한 각도에서 촬영하여 세포 내부의 입체적 구조 맵을 생성할 수 있어, 세포 생물학의 이해를 공간적 차원에서 크게 확장시켰다.

이를 통해 연구자들은 암세포의 특이적 구조, 신경 세포의 시냅스 구성, 또는 병원체가 숙주 세포에 감염되는 메커니즘과 같은 복잡한 생물학적 현상을 구조적 관점에서 직접 들여다볼 수 있게 되었다. 크리오전자 현미경은 생명 현상을 구성하는 분자 기계들의 작동 원리를 세포라는 맥락 속에서 파헤치는 데 없어서는 안 될 강력한 창이 되었다.

크리오전자 현미경은 재료 과학 분야에서 나노 수준의 물질 구조와 성질을 연구하는 데 필수적인 도구로 자리 잡았다. 특히 수소 저장 소재, 촉매, 배터리 전극 물질, 반도체 소자, 나노 와이어 등 다양한 신소재의 정밀한 3차원 구조와 원소 분포를 분석하는 데 활용된다. 생물학적 시료와 달리 이러한 재료는 종종 전자빔에 더 강한 내성을 보이지만, 크리오 기술은 특히 수분을 포함하거나 전자빔에 민감한 재료의 본래 구조를 보존하는 데 유용하다.

응용 사례로는 리튬 이온 배터리의 전극-전해질 계면 연구가 대표적이다. 충방전 과정에서 발생하는 미세 구조 변화나 덴드라이트 형성을 초저온 상태로 고정하여 관찰함으로써, 배터리 성능 저하 메커니즘을 규명하고 개선 방안을 모색할 수 있다. 또한 금속 유기 골격체(MOF)나 다공성 물질과 같이 정교한 구조를 가진 소재의 기공 형태와 분자 배열을 고해상도로 직접 시각화하는 데 크리오전자 현미경이 효과적으로 사용된다.

크리오전자 현미경의 가장 큰 장점은 생물학적 시료를 생체에 가까운 상태로 고해상도로 관찰할 수 있다는 점이다. 기존의 투과전자현미경은 시료를 고정, 탈수, 염색하는 복잡한 전처리 과정을 거쳐야 했으며, 이 과정에서 시료의 자연스러운 구조가 손상되거나 왜곡될 수 있었다. 반면 크리오전자 현미경은 시료를 액체 질소 급속 냉각하여 유리 상태의 얼음으로 포획함으로써, 세포나 단백질과 같은 생체 분자를 그들의 원래 형태와 기능을 최대한 보존한 채로 관찰할 수 있게 해준다.

또 다른 중요한 장점은 높은 해상도와 3차원 구조 분석 능력이다. 이 기술은 단일 입자 분석 기법과 결합되어 단백질 복합체나 바이러스와 같은 생체 거대분자의 원자 수준에 가까운 고해상도 3차원 구조를 규명하는 데 결정적인 역할을 한다. 특히 구조생물학 분야에서는 단백질의 구조와 기능을 이해하는 핵심 도구로 자리 잡았다. 또한 토모그래피 기술을 적용하면 세포 소기관이나 바이러스가 감염된 세포와 같은 두꺼운 시료의 내부 3차원 구조를 정밀하게 재구성할 수 있다.

재료 과학 분야에서도 크리오전자 현미경은 독보적인 장점을 보인다. 수분을 포함한 연성 소재나 전해질과 같은 액체 상태의 시료를 그대로 관찰할 수 있어, 배터리 내부의 전극-전해질 계면 반응이나 촉매의 작동 메커니즘을 실시간에 가깝게 연구하는 데 활용된다. 이는 기존의 고진공 환경에서만 작동하던 전자 현미경으로는 불가능했던 분석 영역을 열었다고 평가받는다.

마지막으로, 이 기술은 다양한 전자 현미경 모드와의 호환성을 통해 활용 범위를 확장하고 있다. 투과전자현미경 모드 외에도 주사투과전자현미경 모드나 주사전자현미경 모드로 운용될 수 있어, 사용자의 분석 목적에 따라 최적의 이미징 방식을 선택할 수 있다. 이러한 다기능성은 나노 소재 분석부터 반도체 및 디스플레이 검사에 이르기까지 광범위한 응용 분야에서 크리오전자 현미경의 가치를 높여주고 있다.

크리오전자 현미경은 뛰어난 성능에도 불구하고 몇 가지 명확한 단점을 가지고 있다. 가장 큰 문제는 매우 높은 장비 구축 및 유지보수 비용이다. 초고진공 시스템, 초정밀 전자광학계, 극저온 냉각 시스템 등 고가의 부품으로 구성되어 초기 투자 비용이 막대하며, 전문적인 설치 공간과 지속적인 유지 관리도 필요하다. 이로 인해 일반적인 연구실이나 중소기업이 도입하기에는 진입 장벽이 높은 편이다.

또 다른 단점은 시료 준비 과정의 복잡성과 시간 소요이다. 시료를 극저온 상태로 급속 냉동하여 유리화 상태로 만들어야 하며, 이 과정에서 얼음 결정이 생기지 않도록 세심한 주의가 필요하다. 특히 생물학적 시료의 경우, 생체 상태에 가까운 구조를 보존하기 위한 복잡한 전처리 과정이 필수적이어서 실험 전 준비에 상당한 시간과 전문 기술이 요구된다.

데이터 취득 및 분석 과정도 상대적으로 느리고 복잡하다는 점이 지적된다. 고해상도 이미지를 얻기 위해서는 장시간의 데이터 수집이 필요하며, 취득된 수많은 2차원 투영 이미지를 3차원 구조로 재구성하는 과정에는 고성능 컴퓨팅 자원과 전문적인 소프트웨어, 분석 기술이 동반되어야 한다. 이는 전체 실험의 처리량을 제한하고 결과 도출까지의 시간을 길게 만드는 요인이다.

마지막으로, 시료의 두께에 대한 제약이 있다. 전자선이 시료를 투과해야 하므로 분석 가능한 시료는 매우 얇아야 한다. 두꺼운 시료의 경우 전자선이 완전히 투과하지 못하거나 다중 산란을 일으켜 선명한 이미지를 얻기 어렵다. 따라서 일부 샘플, 특히 두꺼운 세포나 조직의 경우 적절한 박막 제작이 선행되지 않으면 분석 자체가 불가능할 수 있다.

단일 입자 분석은 크리오전자 현미경을 활용한 주요 이미징 및 구조 분석 기법 중 하나이다. 이 방법은 동일한 종류의 단백질 복합체나 바이러스 입자와 같은 생체 분자 집단을 여러 각도에서 촬영한 수만에서 수백만 개의 2차원 투영 이미지를 수집하여, 이들을 계산적으로 분류, 정렬, 평균화하여 고해상도의 3차원 구조를 재구성한다.

이 기법의 핵심 과정은 크게 데이터 수집, 입자 피킹, 2차원 분류, 3차원 재구성으로 나눌 수 있다. 먼저 초저온 상태의 샘플 그리드에서 무작위 방향으로 냉동된 수많은 개별 입자의 이미지를 투과전자현미경으로 대량 촬영한다. 이후 소프트웨어를 사용하여 각 이미지에서 개별 입자의 위치를 자동으로 찾아내고, 배경 노이즈를 보정하며, 방향을 정렬한다. 유사한 투영 방향을 가진 입자 이미지들은 분류 및 평균화되어 더욱 선명한 2차원 클래스 평균 이미지를 생성한다.

단일 입자 분석은 샘플을 결정화할 필요 없이 생체 분자의 원래 상태에 가까운 구조를 규명할 수 있어 구조생물학 분야에서 혁명을 일으켰다. 특히 대형이고 유연한 단백질 복합체, 막 단백질, 그리고 SARS-CoV-2 스파이크 단백질과 같은 바이러스 표면 단백질의 구조 분석에 널리 활용되고 있다. 이 기법은 토모그래피와 함께 현대 크리오전자 현미경 구조 분석의 두 축을 이루고 있다.

크리오전자 현미경의 토모그래피 기술은 3차원 구조를 해석하는 강력한 도구이다. 이 기술은 시료를 한 축을 중심으로 기울여가며 수백 장에서 수천 장에 이르는 2차원 투영 이미지를 연속적으로 획득한다. 이후 획득된 이 투영 이미지 세트를 컴퓨터 알고리즘을 통해 재구성하여 시료의 3차원 체적 정보를 생성한다. 이 과정은 의학 분야에서 널리 사용되는 컴퓨터 단층 촬영과 원리가 유사하나, 전자선을 이용하고 훨씬 더 높은 해상도를 제공한다는 점에서 차이가 있다.

크리오전자 현미경 토모그래피의 핵심은 초저온 상태에서 시료를 정밀하게 기울일 수 있는 초저온 스테이지에 있다. 이 스테이지는 시료가 얼음 상태를 유지하면서도 -70도에서 +70도 범위 내에서 균일하게 기울어질 수 있도록 설계된다. 데이터 수집은 자동화된 소프트웨어로 제어되며, 전자선 손상을 최소화하기 위해 저용량 이미징 기법이 적용된다. 획득된 데이터는 필터 역투영법이나 반복 재구성 알고리즘과 같은 방법으로 처리되어 최종적인 3차원 맵을 생성한다.

이 기술은 다양한 분야에서 활용된다. 구조생물학에서는 복잡한 단백질 복합체나 세포 소기관의 3차원 구조를, 바이러스학에서는 바이러스 입체의 내부 구조와 항원 결합 부위를 밝히는 데 사용된다. 재료 과학에서는 나노 입자의 3차원 형태나 다공성 물질의 내부 채널 구조를 분석할 수 있다. 특히 생체 분자의 경우, 토모그래피를 통해 단일 입자 분석만으로는 얻기 어려운 비대칭적이거나 이질적인 구조의 정보를 포착할 수 있다는 장점이 있다.