星火回顾丨聚焦诺奖——冷冻电镜的发展历史与未来展望

2017年12月21日下午，星火论坛第147期讲座“聚焦诺奖——冷冻电镜的发展历史与未来展望”在五教5101成功举办。清华大学生命科学院院长、清华北大生命科学联合中心负责人、结构生物学家王宏伟教授为同学们带来了一场深入浅出、妙趣横生的科普性学术讲座。讲座过程中，王宏伟教授通过严谨的举例和形象的比喻，向同学介绍了冷冻电镜的发展历史与现今成就，同时也展望了冷冻电镜技术在未来的发展方向。

讲座回顾

01

回首：冷冻电镜的发展历史

「从透射电镜到冷冻电镜」

自1933年第一台透射电子显微镜被搭建以来，透射电子显微镜就是物理学家、材料学家、生物学家观测微观结构的主要手段。然而，生物样品中含有的水会导致样品无法在透射电镜高真空的环境下保存，而且生物样品会受到电子束强大的辐射作用变质。虽然人们一度利用脱水、固定、染色的方式来制作样本进行观察，但生物学家希望能够通过电子显微镜直接观察到含水的真实生物样品。为了解决这些问题，最直接的想法就是将样品溶液冷冻成冰。至此，冷冻电镜成为了人们研究的一个新的方向。

王教授介绍冷冻电镜的发展

讲座中，王宏伟教授向同学们介绍了冷冻电镜发展历程中的几个重大突破：

1974年，Robert Glaeser首次发现冷冻于低温下的生物样品可以在真空的透射电镜内耐受高能电子束辐射并保持高分辨率结构。

1975年，Richard Henderson最早应用冷冻电镜和电子晶体学解析出了一个膜蛋白结构，同时为冷冻电镜技术的发展提供了很多关键的远见卓识。

1982年，Jacques Dubochet发明了将生物样品速冻于玻璃态冰中的方法和装置，使得冷冻电镜成为实用的技术。

上世纪90年代，Joachim Frank领导课题组发明了单颗粒冷冻电镜重构方法，有效降低了图样中的噪音。结合三维重构与傅里叶变换，可得到蛋白质更为精细的三维结构。

2017诺贝尔化学奖得主

以上提及的后三位科学家，便是2017年化学诺奖的得主。正是因为他们的杰出贡献，冷冻电镜得以从理想化为现实。

02

漫谈：冷冻电镜的当今应用

「从结构生物学说起」

从高中生物课本中，我们了解到，蛋白质是由多种氨基酸通过脱水缩合构成的具有复杂空间结构的生物大分子。每一种氨基酸，都因由其R基的不同，从而有了不同的空间结构。科学家们就可以观测这种空间结构，从而确定该位置上氨基酸的种类。

蛋白质的复杂结构

普通的荧光显微镜下，我们只能观察到蛋白质的粗略影像。而通过冷冻电镜，我们可以观察到细胞内各种蛋白质的细微结构和变化规律，从而确定这个蛋白质的整体空间结构（即蛋白质的三级结构）。加以各种测算方法，可以确定某一蛋白序列上各种氨基酸各有多少，再经过结合这一序列上的空间结构，对氨基酸进行排序，进而完成对整个蛋白质的测序解析。

王教授介绍冷冻电镜与蛋白质结构

近年来，冷冻电镜技术结构生物学方面大显神威。以清华大学2015年以来的成就为例：

1. 施一公研究组解析了 γ-secretase 蛋白质和RyR-1 蛋白质

2. 杨茂君研究组解析了 Mammalian res-pirasome 蛋白质

3. 隋森芳研究组解析了MDa Phy-cobilisome 蛋白质

4. 颜宁研究组解析了spliceosome 蛋白质

随着越来越多蛋白质神秘面纱的揭开，我们可以更好地解释各种各样的生命活动发生的原因和机理。利用冷冻电镜技术观察到的蛋白质结构，我们可以定向改造或构建新的蛋白质用于科研或医疗领域。

03

展望：冷冻电镜的发展前景

「期待更多学科交叉」

王宏伟教授表示，虽然冷冻电镜领域的研究获得了诺贝尔奖，但这绝不意味着有关冷冻电镜的研究走到了尽头。在未来，冷冻电镜的发展需要更多的学科交叉。基于物理学，我们可以得到更多分子结构的解析手段；基于计算机科学，我们可以开发新的结构解析算法并解决超大规模计算的需求；基于化学与生物化学，我们可以分离并标记重要的生物大分子复合物；基于材料科学，我们可以找到制备适合结构分析的样品的手段；基于工程学，我们可以开发并制造新的实验设备。

学科交叉

在未来，生物学家的期望是能够看到活体细胞内的生物高分子结构。并通过电子断层扫描三维重构获得细胞内各结构的排列关系。这就要求技术、设备与算法上的全面突破，也就更加强调了学科间的交叉融合

04

尾声：现场问答与互动

Q：蛋白质的三维重构为什么要利用傅里叶变换？能否利用其他手段计算出蛋白质的三维结构？

A：冷冻电子显微学许多算法最早是继承X射线晶体学的算法而来，其中傅立叶变换是X射线晶体学中一个重要的研究手段。在以前计算机运算能力不足时，傅立叶变换能够大量节省计算过程。而今天，虽然可以通过其他手段直接计算出蛋白质的三维构型，但基于傅里叶变换的三维重构算法仍有它可取的地方。

王教授解答同学提问

Q：目前冷冻电镜存在的主要问题是什么？它相对于传统的光学显微镜是否有自己的弊端？

A：冷冻电镜依然未能解决辐照损伤的问题。在未来，生物学家希望能够通过电镜观测活体细胞，但常温下电子束辐照损伤严重。电子束对蛋白质的辐射相当于原子弹在人50米以外爆炸时对人造成的辐射。这个问题可能需要更多物理学家的研究。

讲座结束后

讲座结束后，为了表达对王宏伟教授精彩演讲的感谢，星火论坛送上了为王教授准备的特别礼物——一张记录了王教授讲座精彩瞬间的照片。同学们用热烈的掌声表达了对王宏伟教授的感谢。最后，仍有一些同学意犹未尽，上台与王教授探讨有关冷冻电镜的一些学术问题。

文案 / 石方正

排版 / 谭普元

审核 / 王羿琳