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特约评论 | 工欲善其事，必先利其器! 冷冻电镜或催生更多重量级成果

Original 2017-10-07 北京科技报 科学加

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继2014年后，诺贝尔化学奖再次颁给生物物理学家。我国科学家在冷冻电镜技术革命浪潮中成绩如何？冷冻电镜或将催生哪些重量级成果？

文/孙飞

中科院生物物理所研究员

中科院蛋白质科学研究平台生物成像中心

首席科学家兼主任

中国生物物理学学会冷冻电镜分会副理事长

编辑/吉菁菁新媒体编辑/聂淑芳

瑞士洛桑大学的雅克·杜波切特(Jacques Dubochet)、美国哥伦比亚大学乔基姆·弗兰克(Joachim Frank)和英国剑桥大学理查德·亨德森(Richard Henderson)三位杰出的科学家，因在生物高分辨率冷冻电子显微成像技术研发中所做的原创奠基性工作而获得2017年诺贝尔化学奖。关于冷冻电镜技术，清华大学生命科学学院院长王宏伟教授在BioArt上已经做了深入到位的评论《2017年诺贝尔化学奖评述——冷冻电镜技术获奖并不意味着该技术已经成熟》。这里向社会公众进一步解读这次诺贝尔化学奖的理由和意义。

今年的诺贝尔化学奖颁给了生物高分辨率冷冻电子显微成像技术，为什么诺贝尔化学奖又一次青睐了生物物理学家？

理解生命，破解生命奥秘一直是人类科学发展史中的核心命题之一，化学家们很早就认识到生命主要是由诸如DNA和蛋白质等生物大分子所构成，解析这些生物大分子的精细结构，了解它们的工作原理和相互作用模式，是破解生命奥秘的重要环节。

正如2014年，诺贝尔化学奖颁给了美国及德国的三位科学家：埃里克·白兹格(Eric Betzig)、斯特凡·W·赫尔(Stefan W. Hell)和威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔(William E. Moerner)，以奖励他们在荧光超分辨率成像技术方面做出原创性工作。

这些物理技术的突破为科学家们深入观察和分析与生命活动密切相关的生物大分子的结构、运动和相互作用提供了前所未有的可能，将极大推动人类对生命体的分子构造的认识，因此，生物高分辨率冷冻电子显微成像技术获得诺贝尔化学奖当之无愧。

不过，在冷冻电镜技术发展的历程中，很多科学家都参与其中做出了重要贡献。那么，为什么诺奖选择颁给了这三位科学家？

早在1931年，德国科学家鲁斯卡（Ernst Ruska）和克诺尔（Max Knoll）制造了世界上第一台透射电子显微镜，因为在电子显微学方面的开创工作和突出贡献，鲁斯卡分享了1986年的诺贝尔物理学奖（另一半奖给扫描隧道显微镜）。

▲鲁斯卡和克诺尔制造的世界上第一台透射电镜及设计图纸

经过半个多世纪的发展，透射电子显微镜的成像分辨率不断得到提高，进入21世纪后已经可以达到0.5埃米（注：一个氢原子的直径约为1.58埃米）的分辨能力，成为物质材料研究的核心工具，极大推动了材料科学和纳米科学的发展，这其中包括了2011年诺贝尔化学奖颁给了“准晶体”的发现和研究。

▲1982年，以色列材料科学家丹·舍特曼（Dan Shechtman，1941年-）在快速冷却的铝锰合金中发现一种新形态的二十面体相（Icosahedral Phase）分子结构，开辟了研究准晶体的全新领域。因“对准晶体的发现”2011年荣获诺贝尔化学奖。

透射电子显微镜也成为了高端制造行业上游研发的核心工具，世界上仅有美国FEI（去年被ThermoFisher Scientific收购）、德国蔡司Zeiss、日本电子和日本日立等知名企业能够生产商业化的透射电子显微镜。然而，透射电子显微镜的高分辨能力却无法用来直接观察包括生物大分子在内的生物材料，必须解决生物分子电子辐照损伤和生物材料脱水失活的问题。

雅克·杜波切特(Jacques Dubochet)建立的含水样品快速冷冻玻璃化技术有效解决了脱水失活问题并增强了生物分子电子辐照耐受能力，促成冷冻电镜概念的形成；乔基姆·弗兰克(Joachim Frank)建立的单颗粒图像分析技术有效解决了生物分子在冷冻电镜低剂量电子辐照（低信噪比）情况下的信号增强和提取问题；理查德·亨德森(Richard Henderson)则在原理上并通过实验证明利用冷冻电镜可以获得生物大分子高分辨率三维结构。

这些工作都是在三十多年前完成的，之后这三位科学家并没有停止脚步，而是与国际众多杰出科学家共同努力，不断推动冷冻电子显微成像技术的进步，最终在2013年完成了这一技术的革命性突破。

由于这三位科学家在冷冻电子显微成像技术建立中的开辟性和奠基性的贡献，诺贝尔奖颁给他们理所当然。另外，不得不提的是美国加州大学旧金山分校的程亦凡教授和他的博士后李雪明博士（现为清华大学生命科学学院教授）在这一革命性突破中也做出了重要的贡献。

▲美国加州大学旧金山分校的程亦凡教授

从1962年，沃森(James Watson)，克里克(Francis Crick)和威尔金斯(Maurice Wilkins)因DNA双螺旋结构研究中的开创性工作而获得了诺贝尔生理学或医学奖，从此开辟了分子生物学研究的时代；同年，诺贝尔化学奖颁给了肯德鲁（John Cowdery Kendrew）和佩鲁兹（Max Ferdinand Perutz），以奖励他们利用X射线晶体学在球蛋白三维结构研究中的杰出贡献。从那以后，世界上许多科学家就开始了大量的生物大分子结构研究，其中也包括我国科学家在1960年代取得的猪胰岛素晶体结构的突出成果。

▲1.8埃分辨率的胰岛素晶体结构邮票

由于生物大分子结构研究的难度之大，半个世纪以来，这个领域的每一次重大突破几乎都受到了诺贝尔化学奖的青睐：包括1988年的紫细菌光合作用中心、1997年的ATP合成酶、2003年的钾离子通道和水通道、2006年的RNA聚合酶、2009年的核糖体以及2012年的G蛋白偶联受体。

2013年，瞬时受体电位阳离子通道蛋白1的近原子分辨率结构得到解析，宣告了生物高分辨率冷冻电子显微成像技术完成了最终的突破，这一技术大大降低了生物大分子结构研究的难度，人类迎来了全面分析生物大分子复合体精细结构的时代。

一系列重要生物大分子复合体的三维结构也在过去的四年中如雨后春笋般相继得到解析，这其中包括了我国科学家在剪切体、捕光复合体、呼吸体、骨骼肌钙通道等方面的突出成果，这些成果在高分辨率冷冻电镜技术成熟之前是不可想象的。

我国科学家在这一场冷冻电镜技术革命浪潮中取得了优异的成绩，特别以清华大学和中国科学院生物物理研究所的研究成果为代表。

2008年，我国在开展国家蛋白质科学基础设施建设中就已布局建设先进冷冻电镜技术，并先后在北方设施（北京）和南方设施（上海）装备了新一代的冷冻透射电镜设备，中国科学院生物物理研究所也在同年开始的二期蛋白质科学平台建设中重点建设了冷冻电镜技术。

▲基因剪接的分子机制示意图。2015年，清华大学生命科学学院施一公教授研究组通过冷冻电镜技术解析的酵母剪接体近原子分辨率的三维结构，并阐述了剪接体对前体信使RNA执行剪接的基本工作机理。

▲2016年，中科院生物物理所研究团队利用冷冻电镜技术，在3.2埃（1埃＝0.1纳米）分辨率下解析了高等植物（菠菜）光系统Ⅱ-捕光复合物Ⅱ超级膜蛋白复合体的三维结构，率先破解了光合作用超分子结构之谜，实现光合作用研究领域获重大进展。

近年来，我国多地院校（包括北京大学、浙江大学、上海科技大学、复旦大学、南方科技大学、四川大学等）也在先后建立冷冻电镜中心。可以预见，未来我国将在冷冻电镜技术应用方面取得大量研究成果，其中不乏重大成果。

▲中国冷冻电镜主要研究人员分布简图

生物高分辨率冷冻电子显微成像技术为科学家们深入了解生物大分子的结构、工作原理和相互作用提供了尖刀利器，未来将极大推动分子生命科学的进步。众多生物大分子复合体都是十分重要的药物设计开发的靶点，之前限于其三维结构无法得到解析，相关药物研发进展缓慢，而冷冻电子显微成像技术的出现将彻底改变这一局面。这些重要药物靶点的精细结构都将逐一得到解析，国际医药研发格局也将因这一技术而引来一场新的变革。同时，冷冻电子显微成像技术也会因此得到进一步发展，并酝酿下一个重大突破，实现从对溶液中生物大分子复合体的分析到对细胞组织中生物大分子复合体的高分辨率分析，在未来的医疗诊断中发挥重要作用。

21世纪科学技术发展迅猛，众多原创性科研成果层出不穷，极大改变了人们的生活方式和生活质量。随着我国国民经济实力的不断增长，国际地位的不断提高，特别是“一带一路”等国家战略的深入实施，我国科学家在这一场新的更加深刻影响更加深远的科技革命中将扮演越来越重要的角色，取得众多开创性的科研成果，为改变人类未来经济生活模式做出重要贡献。

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