最不務正業諾獎|冷凍電鏡：我想看得更清楚一點

出品：科普中國

制作：中國科學院化學研究所李風煜

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

北京時間10月4日17時45分許，瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布將2017年度諾貝爾化學學獎授予瑞士科學家Jacques Dubochet，美國科學家Joachim Frank，英國科學家Richard Henderson，以表彰他們發展了冷凍電子顯微鏡技術，用于溶液中生物大分子的高分辨結構測定。

作為諾獎家族中“最不務正業”的獎項，今年的諾貝爾化學獎得主卻不是化學家，而是頒給了三位物理學家，他們的杰出工作幫助生物學家實現了結構生物學領域的新突破。

那么本屆諾貝爾化學獎的主角——冷凍電子顯微鏡技術究竟有何過人之處？這三位科學家又做出了怎樣突出的貢獻而獲此殊榮呢？

生物大分子的結構如同生命科學里的數學公式和物理定律，甚至在以后會充當生命科學里面的“化學元素周期表”，它是我們深入理解生命現象的微觀結構基礎，對生物醫學、藥物研發等一系列領域都具有重要意義。

早期的結構生物學研究中，X射線晶體學方法是解析生物大分子結構的主要方法，它與之后發展起來的核磁共振和冷凍電鏡技術一起，構成了獲得高分辨生物大分子結構的基礎。

而近年來，冷凍電鏡在研究生物大分子結構，尤其是超分子體系的結構方面取得了突飛猛進的發展。該技術它可以快速、簡易、高效、高分辨率解析高度復雜的超大生物分子結構，解決了許多其他方法不能得到的高分辨結構。其解析結果的分辨率不斷刷新世界紀錄，結構解析效率也迅速提高。很多科學家苦苦鉆研了十幾年甚至幾十年的復雜結構很快被解析出來。

冷凍電鏡技術通過快速冷凍，使蛋白質和所在的水溶液環境迅速從溶液態轉變為玻璃態，玻璃態能使蛋白質結構保持其天然結構狀態。如果以緩慢溫和的方式冷凍，這個過程會形成晶體冰，生物分子的結構將被晶格力徹底損壞。低劑量冷凍成像能夠保存樣品的高分辨率結構信息，確保了從電鏡圖形中解析蛋白質結構的可能性。

Jacques Dubochet領導的小組在開發出真正成熟可用的快速投入冷凍制樣技術方面做出了開創性的工作，因此獲得了今年的諾貝爾化學獎。

在冷凍電鏡技術出現之前，許多結構生物學科學家為了通過X射線晶體學得到蛋白質結構需要耗費無數的精力和漫長的時間，一個課題少則5到10年，多則20年。其原因在于制備出可以用于測定蛋白質單晶非常困難。

比如，核糖體從上世紀80年代初首次長出晶體到2000年左右最終拿到原子分辨率結構整整經歷了20年。而冷凍電鏡方法跳過超大分子復合物結晶難的這層技術屏障，以直接解析復合物的溶液狀態的結構為目標，現在利用這項技術，科學家只需要很短的時間就可以解析一個新的核糖體結構，足見此項技術對于生命科學研究的革命性意義。

雖然冷凍電鏡可以直接分析溶液狀態的目標結構，但依靠低溫冷凍電鏡圖像來推斷生物大分子的結構依然是一大挑戰。主要的問題就是，冷凍電鏡的圖像噪音極高、信號極低，若要從中提取近原子分辨率的結構信息，這就像在一個機器轟鳴的工廠里監測一只螞蟻爬行的聲音。

要解決這個問題，最有效的方法就是“重復(iterative)”，通過多次實驗結果的疊加來提高信噪比。目前，主流的單顆粒三維重構技術通過對大量離散分布的單個分子的電子顯微像進行統計分析來解析結構。不同的取向生物大分子顆粒在電子顯微鏡下得到不同的二維投影，再通過三維重構軟件把獲得的二維圖像數據轉化為三維結構模型。

這種方法最早由今年諾貝爾化學獎得主之一的Joachim Frank領導的課題組開發，從70年代開始，到90年代形成了比較完整的結構解析算法原理。而另一位諾貝爾化學獎得主Richard Henderson 則開創了二維電子晶體學三維重構技術，為之后的Joachim Frank等人的工作奠定了基本理論。

不同的取向生物大分子顆粒在電子顯微鏡下得到不同的二維投影

在過去的三十年，低溫冷凍電鏡設備取得了長足的進展，在樣品制備、成像、計算機處理等實驗技術方面有了一定的提升，這些使低溫冷凍電鏡成像技術的分辨率有了極大的提高。其中一個關鍵性技術是引入了直接檢測設備(direct detector device, DDD)照相機。這種DDD設備能夠直接在傳感器上記錄圖像，從而繞過了傳統的、需要閃爍設備和光纖的電荷耦合裝置(charge-coupled device, CCD)探測器，以及其他一些在用攝影膠片(photographic film)記錄圖像時必須要經過的繁雜的處理過程。因此，圖像的信噪比也得到了極大的提升。這就好比說現在的電鏡是一臺攝像機，可以拍攝一段錄影，記錄整個過程，而不再像以前那樣，只是一臺照相機，只能夠拍攝出一張張固定的圖像。

有了大量高質量的圖像，再借助三維重構軟件，科學家們就可以獲得高質量的生物大分子的三維結構，例如下圖中分辨率高達3.2埃米（1?=0.1nm）的線粒體核糖體亞單位圖像。

2013年底，美國加州大學舊金山分校的程亦凡與David Julies研究小組在Nature上合作發表了兩篇論文，首次通過冷凍電鏡獲得了原子級分辨率的膜蛋白結構，這是冷凍電鏡發展史上里程碑式的進展。

此后，冷凍電鏡技術吸引了更多結構生物學家的關注，越來越多的人投入到冷凍電鏡的研究當中，今年使用冷凍電鏡技術解析的蛋白質結構飛速增長，已經成為結構生物學中最重要的方法。