2017诺贝尔化学奖：捕捉生命的细微奥秘

诺贝尔化学奖总是被称为“最难预测的诺贝尔奖项”。不过今年的获奖内容，也算在意料之中——冷冻电子显微镜技术已经深刻地影响了近年来的生物学研究，那些成天和蛋白质“捉迷藏”的学者，在这项技术的帮助下，揭开了蒙在眼前白翳。由于对这项技术的贡献，雅克·杜波谢（Jacques Dubochet）、约阿希姆·弗兰克（Joachim Frank）和理查德·亨德森（Richard Henderson）分享了2017年诺贝尔化学奖。

俗话说“眼见为实”，即使在科学研究中也是如此，直观的结构、状态，能协助科学家理解复杂的反应。在探索生命的奥秘时，缺乏有利工具的科学家往往如盲人摸象，不得全貌。

由于可见光的波长限制，光学显微镜的分辨极限约为200纳米，无法满足我们对生命奥秘的进一步探寻。1931年，厄恩斯特·卢斯卡（Ernst Ruska，1986年诺贝尔物理学奖得主）研制了第一台透视电子显微镜，用波长短得多的电子束代替可见光。此后的技术发展，逐渐把电子显微镜的分辨极限推进到0.1纳米左右。但是，高强度的电子束会破坏生物材料，很难观察到“活体”检材，这使得研究生物大分子在反应中的状况变得十分困难。而经过雅克·杜波谢、约阿希姆·弗兰克和理查德·亨德森改进的冷冻电子显微技术，能让人们以原子级的分辨率，观察接近生理状态下的生物大分子。

在使用这一技术拍摄时，研究人员要把带生物样品的水移到一张金属载网上，并吸去多余水分，使它们在网上形成一层薄薄的水膜；然后将含水薄膜样品快速浸入液氮，让水分子在尚未排列整齐、形成结晶前就凝成玻璃态。在这种情况下，水中的样品不会因脱水、结晶而受损变形，分子结构信息被保留了下来。不过，此时获得的冷冻电镜图像信噪比低，结构信息常常淹没在噪声中难以辨认。解决办法是：大量拍摄生物样品的图像，把这些图像交由电脑识别。电脑根据算法，将上万张图像分析归类，生成高分辨率的二维图像；最后，通过计算，找出这些二维图像之间的联系，生成高分辨率的三维图像。

雅克·杜波谢开发出了将生物大分子固定在玻璃态的水中，使它们不会在电子显微镜的观察环境下变形的办法。约阿希姆·弗兰克研发了图像合成算法，通过对二维图像的分析，计算出大分子的三维结构。理查德·亨德森则在1990年用电子显微镜得到了原子级分辨率的三维蛋白质图像。他们分别使冷冻电子显微镜的各方面得到了优化。

2013年，电子显微镜终于达到了原子级的分辨率。现在，研究人员能够方便地获得生物分子的三维结构，解析具有重要生物学功能的生物大分子复合物的三维结构，测定它们在生化反应中的快速结构变化，深入了解它们的功能——大量的研究成果如雨后春笋一般涌现了出来。

上图为：2013年前的电子显微镜拍摄效果

下图为：现在的拍摄效果

1. 把样本连水一起移到金属网上，吸去多余水分。

2. 样本在金属网格间形成薄膜。把它迅速浸入由液氮冷却到-190℃的乙烷中。

3. 水以玻璃态包裹着样本。在观测中，继续用液氮保持低温。

2016年冷冻电镜技术拍摄的生物分子

（最大球形）登革热病毒11200kDA(原子质量)

（斜线下）

核蛋白 2300kDA

β-半乳糖苷酶 465kDA

乳酸脱氢酶 145kDA

（斜线上）

六聚体ATP酶p97 540kDA

谷氨酸脱氢酶GDH 334kDA

异柠檬酸脱氢酶 93kDA

弗兰克的3D结构图像分析法：

1、 方向随机的蛋白质被电子束击中，留下轨迹。

2、 计算机区分蛋白质轨迹影像和背景噪声，把相似的图形分组，

3、 用上万张相似的轨迹图像，生成高分辨率的二维图像。

4、 计算机根据算法，将这些二维图像相互匹配，生成三维结构。

本文系科猫平台原创编译，作者：金吾。

资料来源：https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/press.html