3位科学家分享2017年诺贝尔化学奖：冷冻电子显微镜技术

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导读

 　北京时间10月4日17时45分许，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布将2017年度诺贝尔化学学奖授予瑞士洛桑大学科学家雅克·迪波什（Jacques Dubochet），美国哥伦比亚大学科学家约阿基姆·弗兰克（Joachim Frank）， 英国剑桥大学科学家理查德·亨德森（Richard Henderson），以表彰他们发展了冷冻电子显微镜技术，以很高的分辨率确定了溶液里的生物分子的结构。

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2017 Nobel Prize in Chemistry

The Nobel Prize in Chemistry 2017 was awarded to Jacques Dubochet, Joachim Frank and Richard Henderson "for developing cryo-electron microscopy for the high-resolution structure determination of biomolecules in solution".

冷冻电子显微镜，就是应用冷冻固定术，在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术。冷冻电子显微镜是重要的结构生物学研究方法，是获得生物大分子结构的重要手段。

具体操作时，先将样品冷冻起来然后保持低温放进显微镜，高度相干的电子作为光源从上面照下来，透过样品和附近的冰层，受到散射。再利用探测器和投射系统把散射信号成像记录下来，最后进行信号处理，得到样品结构。

约阿基姆·弗兰克（Joachim Frank）

德裔生物物理学家，现为哥伦比亚大学教授。他因发明单粒子冷冻电镜（cryo-electron microscopy）而闻名，此外他对细菌和真核生物的核糖体结构和功能研究做出重要贡献。弗兰克2006年入选为美国艺术与科学、美国国家科学院两院院士。2014年获得本杰明·富兰克林生命科学奖。

理查德·亨德森（Richard Henderson）

苏格兰分子生物学家和生物物理学家，他是电子显微镜领域的开创者之一。1975年，他与Nigel Unwin通过电子显微镜研究膜蛋白、细菌视紫红质，并由此揭示出膜蛋白具有良好的机构，可以发生α-螺旋。近年来，亨德森将注意力集中在单粒子电子显微镜上，即用冷冻电镜确定蛋白质的原子分辨率模型。

雅克·迪波什（Jacques Dubochet）

Jacques Dubochet, 1942年生于瑞士，1973年博士毕业于日内瓦大学和瑞士巴塞尔大学，瑞士洛桑大学生物物理学荣誉教授。Dubochet博士领导的小组开发出真正成熟可用的快速投入冷冻制样技术制作不形成冰晶体的玻璃态冰包埋样品，随着冷台技术的开发，冷冻电镜技术正式推广开来。

冷却显微技术带来生物化学领域的革新

　　我们也许很快就能从原子水平上来用细节详实的图像来描述生命这种复杂的运转系统了。2017年的诺贝尔化学奖被授予Jacques Dubochet， Joachim Frank和Richard Henderson，以表彰他们为研发冷冻电子显微技术作出的贡献，这项技术简化并改进了生物分子成像的发展，将生物化学带入一个新时代。

　　图像是我们理解一切事物的关键所在。将那些人眼不可见的物体成功地可视化，通常是科研产生突破的基础。但是，生物化学领域的成像技术在过去很长一段时间内是一片空白，原因在于，已有技术很难对生命的分子机制进行太多图像化描述。是冷冻电子显微技术改变了这一切。现在，研究人员可以将活的生物分子进行冷冻，并将那些以前无法看见的生物变化过程实现可视化——这对我们从化学角度了解生命以及研发药物带来决定性的影响。

　　长久以来，人们认为电子显微镜只能用于观察死去的生物，因为电子显微镜的电子束会杀死活体。直到1990年，Richard Henderson成功地利用一台电子显微镜生成了一种蛋白质的3D图像，图像分辨率达到原子水平。这次突破奠定了冷冻电子显微技术发展的基础。

　　Joachim Frank则让该项技术获得广泛应用。在1975至1986年间，他开发出一种图像处理技术，能够分析电子显微镜生成的模糊2D图像，并将其合并，最终生成清晰的3D结构。

　　Jacques Dubochet则将水这种物质引入电子显微镜中。液态水在电子显微镜的真空管里蒸发，从而使得生物分子瓦解。在上世纪80年早期，Dubochet成功实现水的玻璃化——迅速将水冷却，让其先以液体状态将生物样本包裹，之后立刻变成固体，从而使得生物分子在真空管中仍能保持其自然形态。

根据这些发现，电子显微镜的每个螺母和螺栓已经被优化。2013年达到理想的原子分辨率，研究人员现在可以定期生产生物分子的三维结构。在过去几年中，科学文献充满了从抗生素抵抗的蛋白质到Zika病毒表面的各种图像。生物化学正在面临爆炸性的发展，一切都是一个令人兴奋的未来。

诺贝尔化学奖历届获得者

年份	获奖者	国籍	获奖原因
1901年	雅各布斯·亨里克斯·范托夫	荷兰	“发现了化学动力学法则和溶液渗透压”
1902年	赫尔曼·费歇尔	德国	“在糖类和嘌呤合成中的工作”
1903年	斯凡特·奥古斯特·阿伦尼乌斯	瑞典	“提出了电离理论”
1904年	威廉·拉姆齐爵士	英国	“发现了空气中的惰性气体元素并确定了它们在元素周期表里的位置”
1905年	阿道夫·冯·拜尔	德国	“对有机染料以及氢化芳香族化合物的研究促进了有机化学与化学工业的发展”
1906年	亨利·莫瓦桑	法国	“研究并分离了氟元素，并且使用了后来以他名字命名的电炉”
1907年	爱德华·比希纳	德国	“生物化学研究中的工作和发现无细胞发酵”
1908年	欧内斯特·卢瑟福	英国	“对元素的蜕变以及放射化学的研究”
1909年	威廉·奥斯特瓦尔德	德国	“对催化作用的研究工作和对化学平衡以及化学反应速率的基本原理的研究”
1910年	奥托·瓦拉赫	德国	“在脂环族化合物领域的开创性工作促进了有机化学和化学工业的发展的研究”
1911年	玛丽·居里	波兰	“发现了镭和钋元素，提纯镭并研究了这种引人注目的元素的性质及其化合物”
1912年	维克多·格林尼亚	法国	“发明了格氏试剂”
保罗·萨巴捷	法国	“发明了在细金属粉存在下的有机化合物的加氢法”
1913年	阿尔弗雷德·维尔纳	瑞士	“对分子内原子连接的研究，特别是在无机化学研究领域”
1914年	西奥多·威廉·理查兹	美国	“精确测定了大量化学元素的原子量”
1915年	里夏德·维尔施泰特	德国	“对植物色素的研究，特别是对叶绿素的研究”
1916年	未颁奖
1917年	未颁奖
1918年	弗里茨·哈伯	德国	“对从单质合成氨的研究”
1919年	未颁奖
1920年	瓦尔特·能斯特	德国	“对热化学的研究”
1921年	弗雷德里克·索迪	英国	“对人们了解放射性物质的化学性质上的贡献，以及对同位素的起源和性质的研究”
1922年	弗朗西斯·阿斯顿	英国	“使用质谱仪发现了大量非放射性元素的同位素，并且阐明了整数法则”
1923年	弗里茨·普雷格尔	奥地利	“创立了有机化合物的微量分析法”
1924年	未颁奖
1925年	里夏德·阿道夫·席格蒙迪	德国	“阐明了胶体溶液的异相性质，并创立了相关的分析法”
1926年	特奥多尔·斯韦德贝里	瑞典	“对分散系统的研究”
1927年	海因里希·奥托·威兰	德国	“对胆汁酸及相关物质的结构的研究”
1928年	阿道夫·温道斯	德国	“对甾类的结构以及它们和维他命之间的关系的研究”
1929年	阿瑟·哈登	英国	“对糖类的发酵以及发酵酶的研究”
汉斯·冯·奥伊勒-切尔平	德国
1930年	汉斯·费歇尔	德国	“对血红素和叶绿素的组成的研究，特别是对血红素的合成的研究”
1931年	卡尔·博施	德国	“发明与发展化学高压技术”
弗里德里希·贝吉乌斯	德国
1932年	欧文·兰米尔	美国	“对表面化学的研究与发现”
1933年	未颁奖
1934年	哈罗德·克莱顿·尤里	美国	“发现了重氢”
1935年	弗雷德里克·约里奥-居里	法国	“合成了新的放射性元素”
伊伦·约里奥-居里	法国
1936年	彼得·德拜	荷兰	“通过对偶极矩以及气体中的X射线和电子的衍射的研究来了解分子结构”
1937年	沃尔特·霍沃思	英国	“对碳水化合物和维生素C的研究”
保罗·卡勒	瑞士	“对类胡萝卜素、黄素、维生素A和维生素B2的研究”
1938年	里夏德·库恩	德国	“对类胡萝卜素和维生素的研究”
1939年	阿道夫·布特南特	德国	“对性激素的研究”
拉沃斯拉夫·鲁日奇卡	瑞士	“对聚亚甲基和高级萜烯的研究”
1940年	未颁奖
1941年	未颁奖
1942年	未颁奖
1943年	乔治·德海韦西	匈牙利	“在化学过程研究中使用同位素作为示踪物”
1944年	奥托·哈恩	德国	“发现重核的裂变”
1945年	阿尔图里·伊尔马里·维尔塔宁	芬兰	“对农业和营养化学的研究发明，特别是提出了饲料储藏方法”
1946年	詹姆斯·B·萨姆纳	美国	“发现了酶可以结晶”
约翰·霍华德·诺思罗普	美国	“制备了高纯度的酶和病毒蛋白质”
温德尔·梅雷迪思·斯坦利	美国
1947年	罗伯特·鲁宾逊爵士	英国	“对具有重要生物学意义的植物产物，特别是生物碱的研究”
1948年	阿尔内·蒂塞利乌斯	瑞典	“对电泳现象和吸附分析的研究，特别是对于血清蛋白的复杂性质的研究”
1949年	威廉·吉奥克	美国	“在化学热力学领域的贡献，特别是对超低温状态下的物质的研究”
1950年	奥托·迪尔斯	西德	“发现并发展了双烯合成法”
库尔特·阿尔德	西德
1951年	埃德温·麦克米伦	美国	“发现了超铀元素”
格伦·西奥多·西博格	美国
1952年	阿彻·约翰·波特·马丁	英国	“发明了分配色谱法”
理查德·劳伦斯·米林顿·辛格	英国
1953年	赫尔曼·施陶丁格	西德	“在高分子化学领域的研究发现”
1954年	莱纳斯·鲍林	美国	“对化学键的性质的研究以及在对复杂物质的结构的阐述上的应用”
1955年	文森特·迪维尼奥	美国	“对具有生物化学重要性的含硫化合物的研究，特别是首次合成了多肽激素”
1956年	西里尔·欣谢尔伍德	英国	“对化学反应机理的研究”
尼古拉·谢苗诺夫	苏联
1957年	亚历山大·R·托德	英国	“在核苷酸和核苷酸辅酶研究方面的工作”
1958年	弗雷德里克·桑格	英国	“对蛋白质结构组成的研究，特别是对胰岛素的研究”
1959年	雅罗斯拉夫·海罗夫斯基	捷克	“发现并发展了极谱分析法”
1960年	威拉得·利比	美国	“发展了使用碳14同位素进行年代测定的方法，被广泛使用于考古学、地质学、地球物理学以及其他学科”
1961年	梅尔文·卡尔文	美国	“对植物吸收二氧化碳的研究”
1962年	马克斯·佩鲁茨	英国	“对球形蛋白质结构的研究”
约翰·肯德鲁	英国
1963年	卡尔·齐格勒	西德	“在高聚物的化学性质和技术领域中的研究发现”
居里奥·纳塔	意大利
1964年	多萝西·克劳福特·霍奇金	英国	“利用X射线技术解析了一些重要生化物质的结构”
1965年	罗伯特·伯恩斯·伍德沃德	美国	“在有机合成方面的杰出成就”
1966年	罗伯特·马利肯	美国	“利用分子轨道法对化学键以及分子的电子结构所进行的基础研究”
1967年	曼弗雷德·艾根	西德	“利用很短的能量脉冲对反应平衡进行扰动的方法，对高速化学反应的研究”
罗纳德·乔治·雷伊福特·诺里什	英国
乔治·波特	英国
1968年	拉斯·昂萨格	美国	“发现了以他的名字命名的倒易关系，为不可逆过程的热力学奠定了基础”
1969年	德里克·巴顿	英国	“发展了构象的概念及其在化学中的应用”
奥德·哈塞尔	挪威
1970年	卢伊斯·弗德里科·莱洛伊尔	阿根廷	“发现了糖核苷酸及其在碳水化合物的生物合成中所起的作用”
1971年	格哈德·赫茨贝格	加拿大	“对分子的电子构造与几何形状，特别是自由基的研究”
1972年	克里斯蒂安·B·安芬森	美国	“对核糖核酸酶的研究，特别是对其氨基酸序列与生物活性构象之间的联系的研究”
斯坦福·摩尔	美国	“对核糖核酸酶分子的活性中心的催化活性与其化学结构之间的关系的研究”
威廉·霍华德·斯坦	美国
1973年	恩斯特·奥托·菲舍尔	西德	“对金属有机化合物，又被称为夹心化合物，的化学性质的开创性研究”
杰弗里·威尔金森	英国
1974年	保罗·弗洛里	美国	“高分子物理化学的理论与实验两个方面的基础研究”
1975年	约翰·康福思	英国	“酶催化反应的立体化学的研究”
弗拉迪米尔·普雷洛格	瑞士	“有机分子和反应的立体化学的研究”
1976年	威廉·利普斯科姆	美国	“对硼烷结构的研究，解释了化学成键问题”
1977年	伊利亚·普里高津	比利时	“对非平衡态热力学的贡献，特别是提出了耗散结构的理论”
1978年	彼得·米切尔	英国	“利用化学渗透理论公式，为了解生物能量传递作出贡献”
1979年	赫伯特·布朗	美国	“分别将含硼和含磷化合物发展为有机合成中的重要试剂”
格奥尔格·维蒂希	西德
1980年	保罗·伯格	美国	“对核酸的生物化学研究，特别是对重组DNA的研究”
沃特·吉尔伯特	美国	“对核酸中DNA碱基序列的确定方法”
弗雷德里克·桑格	英国
1981年	福井谦一	日本	“通过他们各自独立发展的理论来解释化学反应的发生”
罗德·霍夫曼	美国
1982年	阿龙·克卢格	英国	“发展了晶体电子显微术，并且研究了具有重要生物学意义的核酸-蛋白质复合物的结构”
1983年	亨利·陶布	美国	“对特别是金属配合物中电子转移反应机理的研究”
1984年	罗伯特·布鲁斯·梅里菲尔德	美国	“开发了固相化学合成法”
1985年	赫伯特·豪普特曼	美国	“在发展测定晶体结构的直接法上的杰出成就”
杰尔姆·卡尔	美国
1986年	达德利·赫施巴赫	美国	“对研究化学基元反应的动力学过程的贡献”
李远哲	美国
约翰·查尔斯·波拉尼	加拿大
1987年	唐纳德·克拉姆	美国	“发展和使用了可以进行高选择性结构特异性相互作用的分子”
让-马里·莱恩	法国
查尔斯·佩德森	美国
1988年	约翰·戴森霍费尔	西德	“对光合反应中心的三维结构的测定”
罗伯特·胡贝尔	西德
哈特穆特·米歇尔	西德
1989年	悉尼·奥尔特曼	加拿大	“发现了RNA的催化性质”
托马斯·切赫	美国
1990年	艾里亚斯·詹姆斯·科里	美国	“发展了有机合成的理论和方法学”
1991年	理查德·恩斯特	瑞士	“对开发高分辨率核磁共振（NMR）谱学方法的贡献”
1992年	鲁道夫·马库斯	美国	“对化学体系中电子转移反应理论的贡献”
1993年	凯利·穆利斯	美国	“发展了以DNA为基础的化学研究方法，开发了聚合酶链锁反应（PCR）”
迈克尔·史密斯	加拿大	“发展了以DNA为基础的化学研究方法，对建立寡聚核苷酸为基础的定点突变及其对蛋白质研究的发展的基础贡献”
1994年	乔治·安德鲁·欧拉	美国	“对碳正离子化学研究的贡献”
1995年	保罗·克鲁岑	荷兰	“对大气化学的研究，特别是有关臭氧的形成和分解的研究”
马里奥·莫利纳	美国
弗兰克·舍伍德·罗兰	美国
1996年	罗伯特·柯尔	美国	“发现富勒烯”
哈罗德·克罗托	英国
理查德·斯莫利	美国
1997年	保罗·博耶	美国	“阐明了三磷酸腺苷（ATP）合成中的酶催化机理”
约翰·沃克	英国
延斯·克里斯蒂安·斯科	丹麦
1998年	沃尔特·科恩	美国	“创立了密度泛函理论”
约翰·波普	英国	发展了量子化学中的计算方法
1999年	亚米德·齐威尔	埃及	“用飞秒光谱学对化学反应过渡态的研究”
2000年	艾伦·黑格	美国	“发现和发展了导电聚合物”
麦克德尔米德	美国
白川英树	日本
2001年	威廉·斯坦迪什·诺尔斯	美国	“对手性催化氢化反应的研究”
野依良治	日本
巴里·夏普莱斯	美国	“对手性催化氧化反应的研究”
2002年	约翰·贝内特·芬恩	美国	“发展了对生物大分子进行鉴定和结构分析的方法，建立了软解析电离法对生物大分子进行质谱分析”
田中耕一	日本
库尔特·维特里希	瑞士	“发展了对生物大分子进行鉴定和结构分析的方法，建立了利用核磁共振谱学来解析溶液中生物大分子三维结构的方法”
2003年	彼得·阿格雷	美国	“对细胞膜中的离子通道的研究，发现了水通道”
罗德里克·麦金农	美国	“对细胞膜中的离子通道的研究，对离子通道结构和机理的研究”
2004年	阿龙·切哈诺沃	以色列	“发现了泛素介导的蛋白质降解”
阿夫拉姆·赫什科	以色列
欧文·罗斯	美国
2005年	伊夫·肖万	法国	“发展了有机合成中的复分解法”
罗伯特·格拉布	美国
理查德·施罗克	美国
2006年	罗杰·科恩伯格	美国	“对真核转录的分子基础的研究”
2007年	格哈德·埃特尔	德国	“对固体表面化学进程的研究”
2008年	下村脩	日本	“发现和改造了绿色荧光蛋白（GFP）”
马丁·查尔菲	美国
钱永健	美国
2009年	文卡特拉曼·拉马克里希南	英国	“对核糖体结构和功能方面的研究”
托马斯·施泰茨	美国
阿达·约纳特	以色列
2010年	理查德·赫克	美国	“对有机合成中钯催化偶联反应的研究”
根岸英一	日本
铃木章	日本
2011年	达尼埃尔·谢赫特曼	以色列	“准晶体的发现”
2012年	罗伯特·莱夫科维茨 布莱恩·克比尔卡	美国	“对G蛋白耦联受体的研究”

2013年	马丁·卡普拉斯	美国	给复杂化学体系设计了多尺度模型
迈克尔·莱维特（英国）
亚利耶·瓦谢尔
2014年	埃里克·白兹格	美国	超分辨率荧光显微技术领域取得的成就
斯特凡·W·赫尔	德国
威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔	美国
2015年	托马斯·林达尔	瑞典	DNA修复的细胞机制研究
保罗·莫德里奇	美国
阿齐兹·桑贾尔	土耳其
2016年	让-彼埃尔·索瓦	法国	分子机器的设计和合成
詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特	英/美
伯纳德·费林加	荷兰

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