深度科普解析: 杰出科学家施颜实证了冷冻电镜的诺奖威力, 但古迪纳夫心有不甘?
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作者:土豆泥 来源:知乎
诺贝尔化学奖给了搞物理科学家发明的——冷冻电镜,其中中国杰出科学家施颜的卓越工作,实证了冷冻电镜的巨大威力——去解析大分子结构,如此大量精美工作启示了诺贝尔奖委员会——冷冻电镜具有诺贝尔化学奖之魅力。因此,这三发明人本该非常感谢两位出色科学明星。但在诺贝尔化学奖发布会应用78篇论文中竟然没有提到施颜的卓越工作,请阅读《抱打不平: 诺奖委会太不像话了! 竟然如此戏弄中国杰出学术明星施颜,但别气馁: 毕竟到了距离获得诺奖仅差最后一哩!!!》
虽然没有给锂电池之父约翰‧古迪纳夫(John Goodenough),他心有不甘,但毕竟老爷子还坚挺,作为固体物理专业的。
也分享一下冷冻电镜吧,以下阅读只需要您5分钟的时间。
故事起源于蛋白质。
为了了解某些关键蛋白的作用机理,生物学家们需要了解整个蛋白的构型,但早期的技术只能允许大部分人观测到一堆模糊的团状物:
图片来自https://www.youtube.com/watch?v=Qq8DO-4BnIY
而大多蛋白质的尺寸要比头发丝还要小上几千倍,因此,科学家们之前是借助X射线晶体学成像技术来观察样品。鉴于蛋白质的松散构型,科学家们需要先对样品进行结晶——打包成稳定的、有序晶体,然后再允许X射线穿过样品进而成像:
图片来自https://www.youtube.com/watch?v=Qq8DO-4BnIY
但问题是,不少蛋白质的结构过于松散扭曲,难以规律集群进行成晶。那怎么办,这时候聪明的科学家们想到了电子显微镜,将经加速和聚集的电子束轰击到薄样上,使用感学器件来对散射后的电子成像,而因为电子的德布罗意波长非常短,使得这种显微技术的分辨率在理论上可以高达0.1 nm,因而这种可以用来观测物质精细结构的方法叫做电子显微镜(electron microscope,缩写为EM)技术。
图片来自http://dehistology.blogspot.com/2011/06/electron-microscopy.html
我们利用电子显微镜解析物相晶型的时候,需要把样品分散到液相之中,通常是5 mL的离心管就够了,但这里面的分子信息真真是浩瀚无垠:
图片来自https://www.youtube.com/watch?v=BJKkC0W-6Qk
这些纳米颗粒作自由的运动,鉴于此,我们需要把样品作成薄层然后冰冻起来才能成像,当你使用液氮对蛋白质进行冷却至低温(cryogenic temperature)后,并用电子显微镜(EM)进行观察时,这个组合技术就被叫做Cryo-EM,也即冷冻电镜。
通常,研究人员会把一小滴样品液体滴到一枚小小的铜网上,然后把烘干的铜网移动到特殊的腔室中,保持100%的湿度并控制温度,然后把两侧的吸墨纸缓缓闭合,只保留下非常薄的一层分子,接着你可以把载样放到液氮浴中的液态乙烷罐中,这样样品会急速冷却以至于冰晶都来不及形成,而是形成一种叫做玻璃态晶的东东。
图片来自https://www.youtube.com/watch?v=BJKkC0W-6Qk
这样你就会从一堆繁杂的分子中得到一层薄态玻璃冰:
图片来自https://www.youtube.com/watch?v=BJKkC0W-6Qk
但是还有一个问题,因为蛋白质小分子在玻璃晶中的取向不一样,因而当电子束打上分子时,这种取向就会在胶片上留下不同的印记,而这些印记尽管是二维图像,但是却包含了分子的三维信息。
图片来自https://www.youtube.com/watch?v=BJKkC0W-6Qk
这时,超级相机的作用体现出来了,这种相机不仅可以提高成像质量(分辨率、衬度等等),它还可以录制影像,这就不是一个静态技术可以比拟的了。利用制作的影片,你可以看到不同的样品状态与反应的步骤,利用电脑算法对不同图像进行归类,定位到不同相片中取向相同的蛋白质分子,而后使用软件重构一张复合图像——一个更加精准、更高分辨、三维的蛋白质分子:
图片来自https://www.youtube.com/watch?v=Qq8DO-4BnIY
在这个过程中,科学家们需要采集成千上万的蛋白质分子,进行平均化建模,而后产生了所谓的三维模型:
图片来自https://www.youtube.com/watch?v=Qq8DO-4BnIY
上面这个大分子,根据UCSF的Yifan教授解说,是一个芥末受体,它能识别芥末与洋葱中辛辣的味道,这也是身体感受疼痛机制中冰山的一角。科学家们几年前已经知道了这个蛋白质,但通过这项技术,我们这些吃瓜群众可以认识到它立体的形貌,这一发明绝对是具有指导意义的,今后我们依次可以制造出更好阻断疼痛药物。
而多项观测技术结合的手段现在屡试不鲜,不久的将来可以预见,会有冷冻-断层摄像(Cryo-electron tomography)、原位时间分辨的冷冻-电镜、冷冻-扫描电子显微镜(Cryo-scanning electron microscopy)技术等等。
怎么样,酷不酷,帅不帅?
额,我还是觉得老爷子更帅!
图片来自Battery Legend Goodenough Now Betting On Solid-State Batteries
参考资料:
https://www.youtube.com/watch?v=Qq8DO-4BnIY
https://www.youtube.com/watch?v=BJKkC0W-6Qk
Recent developments and applications of electron microscopy to heterogeneous catalysis
http://www.nature.com/nmat/journal/v8/n4/full/nmat2380.html?foxtrotcallback=true
Cryo-electron microscopy
作者:Tsy.H 来源:知乎
可以的。蛋白质结构鉴定在诺奖中画上了一个暂时的句号。
笔者翻了一下关于蛋白质结构鉴定的化学奖
1964年 D.Hodgkin X射线衍射技术测定复杂大分子和空间结构。
1982年,D.A.Klug 晶体电子显微镜测定核酸-蛋白质复合体结构(病毒)
2002年 John.B.Fenn /田中耕一 生物大分子质谱鉴定
Kurt Wuthrich 核磁共振技术测定蛋白质结构
2017年 冷冻电镜技术。
到此,蛋白质结构生物学的三个看门技术:X衍射,NMR , 电镜全部获得诺贝尔化学奖。
为了凸显冷冻电镜的优势,说说X-ray和NMR的缺点:
X-ray的最大的问题在于很多蛋白难以结晶。特别是膜蛋白等难溶蛋白质。从理论上说,电镜解析蛋白不存在衍射中相位解析困难的问题,同时电子波长要小于X-ray,理论上应该具有更高的分辨率。
NMR的最大弱点就在分辨率和灵敏度。分子量过大(30KDa以上)的蛋白基本无缘核磁共振。同时需要对样品进行同位素标记和复杂的脉冲序列设计。
1982年诺奖的晶体电子显微镜主要用于测量二维晶体结构,而冷冻电镜是一个单颗粒三维晶体重构技术。
传统的电子显微镜是通过负染的方式,把重金属颗粒喷涂在生物样品表面。电子显微镜其实采集到的是重金属覆盖的轮廓。因此,样品内部信息无法获得,同时无法保证重金属对生物样品的支持度良好不发生坍缩。
获奖者 Jacques Duboche 研究组提出并完善了冷冻电镜的方法。他们将样品固定在玻璃态的冰中,放置于电子显微镜下观察。低温环境可以保证生物样品在电子显微镜筒内不失水,同时减少了电子辐射的影响。蛋白质被包裹在这种玻璃态的冰中宛如在水溶液一样保持本身的生理状态。
Joachim在1996年便提出了单颗粒三维重构技术。电镜三维重构技术在1968年就已经被Rosier提出。它的核心理论是中央截面定理和傅里叶变换。中心截面定理的通俗解释是:一个物体三维投影像的傅里叶变换等于该物体三维傅里叶变换中与该投影方向垂直的过原点的截面(中央截面)
也就是说把一个三维的蛋白在冷冻电镜中采集到各个方向的投影图。进行二维傅里叶变换,在三维傅里叶空间重构,再进行逆傅里叶变换获得三维结构。
在电子显微镜下可以采集一个三维蛋白各个方向的电子显微像,经过傅里叶变换可以得到投影图,也就是上面说的截面。只要这个采集到的截面足够多,你就可以通过三维逆傅里叶变换拼回一个立体的蛋白质结构。
更复杂的程序包括了CTF估算与修正,颗粒筛选和颗粒图像匹配。这个作为一个学NMR的人就不懂了。
至于为什么获得诺贝尔化学奖,化学这个东西把和其他学科融合的太快乐。比如我自己,在一个物理研究所,做着生物医学分析,拿着化学学位。
这很化学。
如果有一个新技术可以解析蛋白质结构,我赌它还会获诺贝尔化学奖==
参考文献
Dubochet J. Cryo-EM--the first thirty years.[J]. Journal of Microscopy, 2012, 245(3):221.
Derosier D J, Klug A. RECONSTRUCTION OF 3 DIMENSIONAL STRUCTURES FROM ELECTRON MICROGRAPHS[J]. 1968.
图片来源:
Frank J. Single-particle imaging of macromolecules by cryo-electron microscopy.[J]. Annual Review of Biophysics & Biomolecular Structure, 2002, 31(1):303.
颜宁大神反应
作者:贱贱 来源:知乎
我先转个有料的,颜宁大神的:
至于没人关心的科普的在这里:如何看待 2017 诺贝尔化学奖冷冻电镜 (Cryo-EM) 技术?该技术有哪些突破?
已经很全了,毕竟别人2014年就写好了。嗯,
『化学奖颁给了几个物理学家用来研究生物科学』以表彰他们发展了冷冻电镜技术并运用这一技术解析了生物分子在溶液中的结构。冷冻电镜,T大施校长是最对口的人,毕竟靠这个发了20多篇CNS了...。不管T大,P大,还是上海生命科学院,都是几千万上E的砸。科学,仪器和方法必须冲,没最顶尖的技术,做啥顶尖的研究? 线厂工?
对于施教授来说,这并不是个好消息。因为这就是施教授近年来灌CNS的关键技术。但是,可惜的是,这项技术既然已经给了冷冻电镜了,估计不会再给施一公教授了,除非其应用的巨大科学发现。
当然,诺奖授予了冷冻电镜技术的发明人,也不能不说是施颜教授启发了诺奖委员会这项技术的巨大威力。
诺奖启示我们,搞科研做研究,还是要去解决根本的fundamental的科学或者技术问题。科学可贵之处在于智力而不是体力。重复劳动只能是搬砖,最后受益的是发明砖的那个人。
顺便说一下,程亦凡老师的经历也很曲折,武汉大学本科,中科院博士(1991年),后来辗转挪威,美国,中国,日本多地作博士后,直到2006年才在UCSF拿到助理教授职位,2012年才修成正果(拿到Tenure)。2015年拿到HHMI,算是人生一个小巅峰。 “亦余心之所善兮,虽九死犹未悔”。这种坚持精神,值得大家学习。
《编后话》再多说几句,按“冷冻电镜”这个思路下去,那么XFEL(X射线自由电子激光)获奖也应该可以预见了吧。话说实验室仪器加压到死毕竟就那么点能量,未来要解析复杂结构,不用高大上的光源恐怕是不行。同步辐射光源的各种技术优势要远高于“冷冻电镜”。冷冻电镜最大的软肋在于无法解析常温结构,无法研究时间分辨结构,而这两点才是分子生物学、未来生命科学最需要的信息,即活的动态,而不是被冻死或抽干的“尸体”。