Celmembranen bestaan uit fosfolipiden en aangehechte of ingebedde eiwitten. Membraaneiwitten spelen vitale rollen in het metabolisme en het leven van de cel. U kunt geen gewone microscopie gebruiken om adhesie-eiwitten, transporteiwitten en eiwitkanalen in het celmembraan te visualiseren of te karakteriseren. Met behulp van elektronenmicroscopie en een techniek genaamd "bevriezen fractuur", die bevroren celmembranen splitst, maakt visualisatie van de membraanstructuur en de organisatie van eiwitten in de zee van fosfolipiden mogelijk. Het combineren van andere methoden met vriesfracturen helpt ons niet alleen om de structuur van verschillende celmembranen en membraaneiwitten te begrijpen, maar maakt de visualisatie en gedetailleerde analyse van de functie van specifieke eiwitten, bacteriën en virussen mogelijk.
Basisstappen in Freeze Fracture

Met behulp van vloeibare stikstof worden biologische weefselmonsters of cellen snel ingevroren om celbestanddelen te immobiliseren. Celmembranen zijn samengesteld uit twee lagen fosfolipiden, een dubbellaag genoemd, waarbij de hydrofobe of waterhate lipidestaarten naar de binnenkant van het membraan wijzen en de hydrofiele of waterminnende uiteinden van het lipidemolecuul naar buiten en naar de binnenkant van de cel. Het bevroren monster wordt gekraakt of gebroken met een microtoom, een mesachtig instrument voor het snijden van dunne plakjes weefsel. Hierdoor splitst het celmembraan precies tussen de twee lagen omdat de aantrekking tussen de hydrofobe lipide staarten het zwakste punt vertegenwoordigt. Na het breken ondergaat het monster een vacuümbewerking, "bevriezen etsen" genoemd. Het oppervlak van het gebroken monster wordt overschaduwd met koolstof en platinadamp om een stabiele replica te maken die de contouren van het breukvlak volgt. Zuur wordt gebruikt om organisch materiaal dat aan de replica hecht te verteren, waardoor een dunne platinaschil van het gebroken membraanoppervlak achterblijft. Deze schaal wordt vervolgens geanalyseerd met elektronenmicroscopie.
Bevriezen etsen

Bevriezen etsen is het vacuüm drogen van een niet-gefixeerd, bevroren en gevriesdroogd biologisch monster. De vacuümdroogprocedure is vergelijkbaar met het vriesdrogen van groenten en fruit die zijn verpakt en worden verkocht in supermarkten. Zonder invriezen worden veel details van de celstructuur verborgen door ijskristallen. De stap van diepvriezen of bevriezen verbetert en verlengt de oorspronkelijke invriesbreukmethode, waardoor de observatie van celmembranen tijdens verschillende activiteiten mogelijk wordt. Het maakt de analyse mogelijk van niet alleen de membraanstructuur, maar ook van intracellulaire componenten en biedt gedetailleerde structurele informatie over bacteriën, virussen en grote cellulaire eiwitcomplexen.
Elektronenmicroscopie

Elektronenmicroscopie kan meer onthullen en vergroten dan een miljoen keer de kleinste organismen of structuren, zoals bacteriën, virussen, intracellulaire componenten en zelfs eiwitten. Visualisatie wordt gemaakt door een ultradun monster met een elektronenstraal te bombarderen. De twee methoden voor elektronenmicroscopie zijn scanning-elektronenmicroscopie of SEM en transmissie-elektronenmicroscopie of TEM. Vriesbreukmonsters worden routinematig geanalyseerd met TEM. TEM heeft een betere resolutie dan SEM en biedt structurele informatie tot 3 nanometer replica's.
Onthullende celmembraanstructuur

De ontwikkeling en het gebruik van vriesbreukelektronenmicroscopie toonde aan dat celplasmamembranen zijn opgebouwd uit lipide dubbellagen en verduidelijkt hoe eiwitten worden georganiseerd in celmembranen. Vriesbreuk geeft een unieke kijk op het inwendige van celmembranen, omdat het membraanfosfolipiden splitst en scheidt in twee tegenover elkaar liggende en complementaire vellen of vlakken. In de meer dan 50 jaar sinds de introductie van de eerste vriesbreukmachine is het nog steeds de enige manier om structurele informatie over het celmembraan te verkrijgen. De techniek laat zien of specifieke eiwitten drijven of verankerd zijn in het celmembraan, en of en hoe sommige eiwitten aggregeren. Een nieuwere methode - met behulp van antilichamen die gericht zijn op specifieke eiwitten - wordt gecombineerd met vriesfractuur om eiwitten en hun functie in het celmembraan te identificeren.