专家解读2017年诺贝尔化学奖：让你看清生物大分子的模样

2017-10-09 化学加

综合 | 科学网/果壳网/澎湃新闻编辑 | 化学加

导读

　调皮的诺贝尔化学奖在去年颁给化学科学家之后，今年，又回归了“不务正业”的个性。这一次，这个奖颁给了三位生物物理科学家——瑞士洛桑大学名誉生物物理学教授Jacques Dubochet、美国哥伦比亚大学生物科学教授Joachim Frank、英国MRC分子生物学实验室项目主任Richard Henderson，因为他们在开发冷冻电镜的过程中贡献卓越。

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冷冻电镜（Cryo-EM）能斩获诺贝尔奖在业内并不算意外。只不过，2017年度诺贝尔化学奖公布之后，有评论称再次联想到这一奖项的俗名“诺贝尔理综奖”，奖项背后的获得者均有生物物理学背景，影响最大的领域目前则在生物学。
生命活动的关键密码在于核酸和蛋白质，核酸因携带遗传物质备受科研界关注，而蛋白质作为生命活动的主要执行者，其结构解析在1960年代崛起。X射线晶体学成像、核磁共振在此前的近80年时间里是生物分子模型的两大主要获得手段。
X射线晶体学是最早用于结构解析的实验方法之一。其中关键步骤之一即是，为获得可供X射线衍射的单晶，需要将纯化后的生物样品进行晶体生长。现实情况却是，目前很多复杂的大分子物质难以获得晶体。
而核磁共振能解析在溶液状态下的蛋白质结构，因此被认为比晶体结构更能够描述生物大分子在细胞内的真实结构，并且能获得氢原子的结构位置。缺点则在于蛋白质在溶液中往往结构不稳定而难得获取稳定的信号。
因此，无论是X射线晶体学成像还是核磁共振，都不能让研究者获得高分辨率的大型蛋白复合体结构，生物结构学领域的发展也因此受困于成像技术。2013年成为了一道分水岭，冷冻电镜在这一年臻于成熟。
冷冻电镜打开了长期停滞的局面。研究人员无需将大分子样品制成晶体，通过对运动中的生物分子进行冷冻，即可在原子层面上进行高分辨成像。随后，蛋白质或复合蛋白结构解析领域诸多被称为诺奖级的论文陆续发表，背后的利器正是冷冻电镜，这项技术应用也正式迎来井喷式发展阶段。2015年，国际著名期刊《自然》旗下子刊Nature Methods就将冷冻电镜技术评为年度最受关注的技术。
国内冷冻电镜应用领域的领军人物，中国科学院院士、结构生物学家、清华大学副校长施一公在今年5月曾表示，冷冻电镜的发展像是一场猛烈的革命。“就目前发展前景来看，冷冻电镜技术是可与测序技术、质谱技术相提并论的第三大技术！”
这项被诺贝尔奖官方称为“使得生物化学进入一个新时代”的技术，其故事的源头则要回到1970年代的理查德•亨德森，他将生物分子的观察坚定地引入了电子显微镜这一路径。
对于生物物理领域的科研人员来说，这项技术获奖早在意料之中。“自从2013年这项技术出现重大突破后，每次国际会议上我们都会讨论，不是讨论它是否能获诺贝尔奖，而是讨论奖会颁给谁。”中国科学院生物物理所研究员、蛋白质科学研究平台生物成像中心首席科学家孙飞在接受《中国科学报》采访时笑言。
在他们看来，这次颁奖可谓实至名归。因为人类第一次可以在显微镜下看清楚接近天然状态的生物大分子的精细模样。
不仅要看活的，还要看清楚
长久以来，人们认为电子显微镜只能用于观察死去的物质，因为电子显微镜的电子束会杀死活体，电子显微镜的真空管也会让活体脱水而死。
要想不让活体脱水死去，可以对它们进行“冷淡保鲜”。上世纪80年代，Dubochet想到了快速冷却的办法。他将水引入电子显微镜中，并成功实现了水的快速冷冻玻璃化。
一般来说，液态水在电子显微镜的真空管里蒸发，会使得生物大分子瓦解。快速冷却技术可以迅速将水冷却，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。
除了样本制备外，看得清楚当然也很关键。为了让图像更清晰，1975年到1986年之间，同样从事生物学研究的Frank开发出一种图像处理技术，这种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。这一突破，让未来冷冻电镜的广泛应用成为可能。
1990年，Henderson又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。
“尽管Henderson近些年的论文发表完全算不上‘耀眼’，但每一次冷冻电镜领域有重大突破或具有巨大争议性的研究结果，第一个被邀请‘出山’的便是Henderson教授。”剑桥MRC分子生物学实验室科研人员张凯评论。
至今，中国科学院生物物理所研究员孙飞还记得他和Henderson的第一次见面。那是2006年，当时冷冻电镜领域的相关技术突破还在酝酿中，Henderson正在呼吁人们关注冷冻电镜技术的潜力，并明确指出未来的突破方向。
这样的突破终于在2012年至2013年间到来了。“直接电子探测相机的研发成功，让冷冻电镜技术从2006年的纳米分辨率提高到了如今的0.2至0.3纳米，这是一个数量级的质的突破。”孙飞说。
2013年，美国加州大学程亦凡教授团队和合作者，使新相机技术成功应用于膜蛋白分子结构分析。这让冷冻电镜实现了真正的突破——分辨率达到近原子级别。生物大分子的世界，终于清晰了。
分子生物学研究的“神器”
10月2日下午，凑着今年诺贝尔奖大幕将起的热闹，张凯给化学奖押了宝。10月4日傍晚，化学奖一开奖，张凯就发了篇原创微信文章，里面激动地写着“全部命中！”。
像张凯一样对冷冻电镜研究充分热情的人员还有不少。原因是，这项技术已经成为分子生物科学家的重要研究工具。
中科院生化与细胞所国家蛋白质科学中心（上海）研究员丛尧告诉《中国科学报》记者，冷冻电镜技术随着直接电子探测技术的发展而发生“分辨率革命”，取得巨大进步。“可以在更自然的状态下从原子分辨率水平对生物大分子机器进行精细结构解析，甚至区分其动态结构变化。”她表示。
2008年前后，中科院生物物理所和清华大学分别购置了一台最新一代的冷冻电镜。
2011年，利用这台电镜，生物物理所研究员朱平等分析了昆虫多角体病毒的近原子分辨率三维结构，这是我国首次利用冷冻电镜技术解析的生物大分子原子结构模型。2016年，生物物理所研究员章新政等人利用最新的冷冻电镜技术解析了植物捕光超级复合体的原子分辨率三维结构，入选当年我国十大科技进展。
因为冷冻电镜，清华大学多次在《细胞》（Cell）、《自然》（Nature）、《科学》（Science）杂志上刊登重要成果，甚至总结出“冷冻电镜+清华大学=CNS”的“公式”。清华大学生命科学学院院长施一公在揭示剪接体结构及其工作机理后说：“如果没有冷冻电镜技术，就完全不可能得到剪接体近原子水平的分辨率。”
正因如此，冷冻电镜被称为分子生物学的“神器”，解析生物大分子复合物的三维结构越来越容易。在过去数年里，学术论文里随处可见各种物质的高清图像，从具有抗药性的蛋白，到寨卡病毒的外观。如今，生物化学正经历爆炸性发展，准备好了迎接那激动人心的未来。
“这项技术对结构生物学、生物化学、细胞生物学，及基于结构的药物设计等已经或即将带来了划时代的改变。”丛尧说。
下一个技术突破正在酝酿中
“神器”的研发，吸引了一大批来自各领域的科学家，让这一技术领域成为当下研究的热门。
“2013年冷冻电镜实现突破以后，立刻吸引了大量科学家的眼球，很多人开始转行从事这方面研究。除了一大批生命科学家开始利用这项技术研究结构分子生物学问题之外，数学、计算机领域的科学家开始研究冷冻电镜的图像处理问题、自动化问题，材料学家、物理学家开始研究更深层次的高分辨成像方法问题，化学领域的科学家开始研究新的样品制备方法等方面的问题。”孙飞说，“总之，这个领域现在非常热。”
冷冻电镜技术已经揣回了诺奖。可是，它似乎还在盯着下一个突破。
“诺奖的颁布是对这个冷冻电镜领域的认可，这个奖也告诉大家一个道理，科学的进步离不开技术的突破。”孙飞说。
近年来，国家加大了对技术方法研究的投入，中科院生物物理所、清华大学等科研机构一直在开展冷冻电镜技术方法研究。科学家们看到，中国冷冻电子显微技术领域发展迅速，已在国际冷冻电镜领域引起广泛关注。丛尧期待，相信中国科学家未来将会在该领域取得更大成就。
孙飞告诉记者，冷冻电镜技术发展还在酝酿另一个突破，如果可以实现，如同这次突破一样，将极大丰富人们对于生物大分子结构动态的认识，深入揭开生命的奥秘。
“现在冷冻电镜仍然是在溶液中看生物大分子的结构，下一步，我们正在探索怎样才能直接观察分子在生物体原位的精细结构，也就是在生物组织中直接观察生物大分子的结构动态。”孙飞说。
科学家们的精彩点评
高宁（北京大学生命科学学院教授，北京大学-清华大学联合生命中心研究员）：
听到导师约阿基姆·弗兰克（Joachim Frank）得奖的消息后，我的心情有些激动。前天作为果壳网诺贝尔奖线上直播生理学或医学专场的嘉宾，我感觉自己走错了片场（笑）。
近几年，冷冻电镜在生物物理，特别是结构生物学领域掀起了一轮新的革命。尤其在近三四年来，依靠冷冻电镜技术，很多具有非常重要生物学功能的生物大分子复合物的三维结构得到解析。所以说冷冻电镜技术彻底改变了结构生物学的研究方式。
冷冻电镜的重要性，在我看来就是它彻底地“消灭”了结构生物学。这句话是什么意思呢？就是说冷冻电镜技术在这两年的突破，使得解析生物大分子复合物的三维结构变得越来越容易、越来越常规。所以这个发展趋势，就是以电镜为主的技术越来越平台化，入门的门槛越来越低，会更多地普及生物研究的方方面面。

杨茂君（清华大学生命科学学院教授，清华大学-北京大学生命联合中心研究员，国家杰出青年，长江学者特聘教授）：
冷冻电镜近年来取得了一系列重大突破，这一系列突破让以前很多不能做的研究变成了可能。而这一切最新的突破所用的方法，主要就是这三位科学家建立的，所以他们得奖是实至名归的事。
目前冷冻电镜技术逐渐成熟，未来的发展将包括数据计算的算法等一系列更加友好界面软件的开发等等（以前主要是硬件的发展）。通过冷冻电镜，可以对以前不了解的重要的蛋白质复合物进行研究，可以看到某些蛋白质具有怎样的生物学功能。这方面的研究将来还是很发展前景的。
中国的清华大学冷冻电镜中心近年来发表了很多具有重要的影响的工作，比如施一公教授的剪切体，我所做的呼吸链复合物等。这些工作在以前都是很难做成的，正是冷冻电镜发展起来之后，才使得我们能在短期内就取得了这一系列的重大突破。
目前来说，中国冷冻电镜的应用的发展远远超过世界上其他国家，未来的发展重点将是一系列具有重要生物学功能的蛋白质复合物，以及这些蛋白质复合物的生命科学中的应用等。想信在未来还会持续成为生命科学研究领域的热门手段。冷冻电镜的重要发展就是使得解析像呼吸链复合物这样重要蛋白的结构成为了可能。按照X射线晶体学发展的轨迹，首先诺奖先建立方法学的人，然后就很可能是一系列重要生物学功能的蛋白复合物的了。他们在介绍他们三位为啥会获得诺奖的时候能把我们的研究结果放在第一个图，这对我们来说是一个激励和鼓励。

尹航（清华大学化学系教授，“千人计划”国家特聘专家）：
冷冻单分子电镜技术获得诺贝尔奖实至名归。这是结构生物学上面的一个革命性的突破，尤其是对生物大分子复合物的结构分析超越了以前基于X光衍射和核磁共振的传统方法。
而今天获奖的三位科学家在冷冻单分子电镜技术的发展中起到了关键性的作用。就像我们经常说的，这是天赋和天才的区别，有天赋的人，能够击中别人都击不中的目标，而天才呢，则能够击中别人甚至都看不到的目标。在二三十年以前，大家都认为晶体衍射可能会是解决生物大分子最主要、最有效的技术，而只有他们看到了电镜技术的潜力，发展了革命性的技术突破，获得了众多梦寐以求的分子结构。
在短短的几年时间里面，冷冻单分子电镜技术已经成为了结构生物学里发展最快的一个领域。在全世界各个主要的研究机构里面，冷冻单分子电镜技术都是着重发展的领域。而我们中国，尤其是我们清华大学，在这个领域走在世界的前面。我们中国的学者包括施一公教授、颜宁教授、杨茂君教授、王宏伟教授以及华裔的程亦凡教授等等，在这个领域都做出了突出的贡献。
而在我们国内所做出原创性工作，对于理解mRNA修饰，阿尔兹海默症的发病机制等重要的生物学问题都起到了突出的贡献。在下面的几年里面，我认为我们会在电镜技术有原理性的突破。
最后，本次诺贝尔奖也再次证明了化学作为一个中心学科，它和物理学、生物学的交叉，起到了互相补充、互相支持的作用。而冷冻电镜技术和其他的潜在候选者来比较，可能是作为一个成熟的、已经在科研中起到直接贡献的技术受到了委员会的青睐。

陈维军（德国蔡司公司资深算法科学家，光学显微镜、电子显微镜成像专家）：
通过快速冷冻溶液，使生物样品维持原来形态，在纳米尺度的电子显微镜技术的帮助下获得原汁原味的，原子分辨率的三维空间结构：这是物理成像与化学需求的结合，巧妙的概念，精致的实验手段。

郭强（马克斯·普朗克生物物理化学研究所博士后）:
冷冻电子显微技术，是指通过将生物样品快速降温使其固定在玻璃态的冰中，继而用透射电子显微镜成像的技术。电子显微技术已经获得过多次诺贝尔奖，本次再次授予化学奖实际是对其在结构生物学，尤其是单颗粒重构技术的肯定。
本次获奖的三位科学家，Jacques Dubochet的工作集中在“冷冻”这个词上，他成功实现了将蛋白样品固定在玻璃态的冰中，使得在电子显微镜的高真空环境观察接近生理状态下的蛋白成为可能。Joachim Frank 和Richard Henderson则是在提供了单颗粒重构结构的理论依据和技术路线。在这三位科学家工作的基础上，随着硬件水平的不断提高，冷冻电镜目前已经真正成为结构生物学的常规技术手段。与晶体学相比，冷冻电镜可以用于解析更大的，具有结构柔性的复合物的结构。
说到我国在这方面的研究，早在八十年代初从事材料学研究的郭可信教授等就发现电子显微镜在生物领域的潜力，培养并鼓励一批物理背景的学者进入生物领域，他们不少目前已经成为行业中坚，以郭可信先生名字命名的冷冻电镜会议也是行业非常高水准的重要会议。
清华大学也在09年起就大力发展冷冻电镜的研究，其电镜平台（国家蛋白平台）也一度是全球最大的冷冻电镜中心（不仅规模大，而且非常非常高产）。
中国电镜家谱图

中国电镜平台分布
http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2017/10/390238.shtm
https://www.guokr.com/article/442427/
http://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1815863