捕捉生命的细节｜2017年诺贝尔化学奖

作者：Echo酱&萌大统领

授权转自：原理（ID：principia1687）

哲学园鸣谢

2017年诺贝尔化学奖授予雅克·迪波什（Jacques Dubochet）、约阿基姆·弗兰克（Joachim Frank）和理查德·亨德森（Richard Henderson），以表彰他们对冷冻电镜技术的发展做出突出贡献。这不仅提高了生物分子的成像质量，并且提供了有关三维显微成像更加直观简化的有效方式，将生物化学引入新纪元。

我们或许即将在原子级分辨率的基础上，获得有关生物机体复杂结构的更加精确和细致的图像。

图像是呈现结果的最直观的表达方式。通常，重大的科学发现是基于对人眼无法直接观察的事物的成功揭示与呈现。然而，在生物化学领域，由于技术的不成熟和精密图像成像技术的缺失，尤其在针对生物分子结构的运行系统的探究的方面却久久都未能呈现出最直观的图像。

然而，冷冻电镜（cryo-electron microscopy）技术的出现将这一切屏障打破。研究人员现在可以冷冻生物分子的运动，由此观察到以前他们从未注意到的运动过程，这个发现对生命科学的基本理解和制药科技的发展有重大意义。

○ 左：细菌视紫红质的第一个粗略模型，发表于1975年《自然》杂志。 右：历经15年，在1990年，Henderson在原子像素分辨率的层面揭示了有关细菌视紫红质的结构。他相信电子显微镜可以在各种角度通过无规则在样品中散射，获得高精确度的三维蛋白质分子结构的成像，然而其他人却认为这是在空谈。| 图片来源：Nature

长时间以来，电子显微镜都被认为只适用于对已死亡的物质成像，因为强大的电子束会破坏生物体。但在1990年，Richard Henderson 成功地使用电子显微镜在原子分辨率上生成了一张蛋白质的三维图像。这一突破彰显了这项技术的潜力。

Joachim Frank 让这项技术变得更加通用。在1975年至1986年间，他开发了一种图像处理方法，让电子显微镜中模糊的二维图像通过分析和合并，呈现出的三维结构图像。（详见下图）

○ Frank 的三维结构图像分析法：1. 随机取向的蛋白质被电子束击中，在图像上留下痕迹；2.计算机在痕迹和模糊背景之间进行区分，并将相似归在同一组中；3.使用数千个相似的痕迹，计算机生成一张高分辨率的二维图像；4.计算机通过计算不同二维图像间如何相互关联，再生成一张高分辨率的三维结构图像。 右：| 图片来源：The Royal Swedish Academy of Sciences

Jacques Dubochet 在电子显微镜中加入水。液态水在电子显微镜的真空中蒸发，使生物分子坍塌。在20世纪80年代初，Dubochet 成功地将水玻璃化（详见下图），他非常迅速的将水冷却，使其以其液体形式固化在生物样本周围，从而生物分子即使在真空中也能保持其自然形态。

○ Dubochet的玻璃化方法：1.将样品转移到一个金属网上，并除去其他多余材料；2.当样品在约零下190℃时被射进乙烷中时，样品在网孔上会形成一层薄膜；3.水会在样品周围玻璃化，然后在电子显微镜进行测量期间用液氮冷却。下图：Dubochet在1984年制成的第一张被玻璃化水包围的病毒图像。| 图片来源：Nature

根据这些发现，电子显微镜的每一个细枝末节都已经被优化。

○ 电子显微镜的分辨率在过去几年中有大幅度提升，从过去只能显示不成形的斑点到现在能在原子分辨率上可视化蛋白质。| 图片来源：MartinHögbom

理想的原子分辨率已在2013年被达到，研究人员现在可以常规的制作生物分子的三维结构图像。在过去的几年中，科学文献里充满了各种各样从抗生素抗药性有关的蛋白质，到寨卡病毒（Zika）的表面的图像。生物化学正在面临爆炸性的发展，而这一切都为一个美好的未来做准备。

○ 在过去几年内，学者们发布了大量有关蛋白质复合物原子结构和生物分子结构的文献，以上三种分子成像都使用了冷冻电镜技术。A: 一种可以控制生物作息的蛋白质复合物分子。B:“感压器分子”-人耳听觉感应器，促使人耳内部的压力变化可以被直观得知。 C:三维成像技术在对病毒原子结构（如Zika病毒）的解读。| 图片来源：The Royal Swedish Academy of Sciences

参考来源：https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/press.html