TUhjnbcbe - 2024/6/9 18:35:00
年10月4日，年诺贝尔化学奖颁给雅克·杜波切特(JacquesDubochet),阿希姆·弗兰克(JoachimFrank)和理查德·亨德森(RichardHenderson)，表彰他们发明了冷冻电子显微镜技术。三位教授分别来自瑞士，德国，苏格兰，那么他们打造的这个冷冻电子显微镜到底是何方神圣？竟能获诺贝尔奖！这个要从电镜的发展说起。电子显微镜于年发明，但在生物学领域的应用滞后于材料科学，原因在于生物样品含水分才会稳定，而电子显微镜必须在高真空下才能工作，因此如何制作高分辨率生物电镜样品是个技术瓶颈。传统的重金属负染技术，可以让重金属包被蛋白表面，然后脱水干燥制作适合真空成像的样品，但这会导致样品分辨率降低（至多保存1.5纳米）。年，英国剑桥大学MRC实验室的Klug博士和他的学生DeRosier开创了基于负染的噬菌体病毒的电镜三维重构技术（Klug博士获年诺贝尔化学奖）。但如何保持生物样品原子分辨率结构又适合电镜成像呢？加州大学伯克利分校的RobertGlaeser博士和他学生KenTaylor于年首次提出并测试了冷冻含水生物样品的电镜成像，可以有效降低辐照损伤对高分辨率结构破坏和维持高真空，实现高分辨率成像的新思路，这就是冷冻电镜（CryoEM）的雏形。年，Dubochet博士领导的小组开发出真正成熟可用的快速投入冷冻制样技术制作不形成冰晶体的玻璃态冰包埋样品，随着冷台技术的开发，冷冻电镜技术正式推广开来。年，冷冻电镜技术的突破给结构生物学领域带来了一场完美的风暴，迅速席卷了结构生物学领域，传统X射线、传统晶体学长期无法解决的许多重要大型复合体及膜蛋白的原子分辨率结构，一个个被迅速解决，纷纷强势占领顶级期刊和各大媒体版面，比如程亦凡博士、施一公博士、杨茂君博士、柳正峰博士所解析的原子分辨率重要复合体结构，震惊世界。这场冷冻电镜革命的特点是：不需要结晶且需要样品量极少，即可迅速解析大型蛋白复合体原子分辨率三维结构。这场电子显微学分辨率革命的突破有两个关键技术：直接电子相机（其中算法方面程亦凡博士和李雪明博士有重要贡献）和三维重构软件。一般来说，在拍摄某一样品的过程中，我们假设样品是不会自己动的:你拿相机拍运动的东西，曝光时间一长就会糊掉。冷冻电镜也有这个问题：电子束哗哗的穿过样品，这些无定形冰就会变软，变形，带着样品移动。因为无定形冰不是晶体，所以在外部强能流的影响下就会展现出些水的性质：这种流动虽然慢，却在电子显微镜下被万倍的放大，成为限制数据质量的大问题。有了高效探测器，我们可以把之前的1次曝光分解成30多次并且保证总电子量不变，由拍照片变成了拍电影，再把这些电影合并成一张近乎于完美的照片。举例来说，一个苹果，它本身是三维的，我们拿二维照相机多方位、多角度地拍很多张照片，就能重构出苹果的三维模型。施一公介绍，其实冷冻电镜就相当于一个照相机，当选好的冷冻样品被送到冷冻电镜时，会生成很多图像，这些图像组合起来便可以构建一个三维结构。当数据收集系统收集到大量剪接体的图像后，就可以重构一个剪接体的三维结构。就这样，冷冻电镜的拍摄技术达到了前所未有的高度。简单一句话来总结是：冷冻电镜中的冷冻技术可以瞬间冷冻样品，并在冷冻状态下保持和转移，使样品最大限度保持原来性状，得出的数据更准确，实验成功率才更高。引领这些技术突破的背后离不开三位冷冻电镜领域的开拓者：理查德·亨德森（RichardHenderson）、约阿希姆·弗兰克（JoachimFrank）和JacquesDubochet分别在基本理论、重构算法和实验方面的早期重要贡献。一个新的方法，新的仪器，新的技术都可能打开一片新的领域，帮助科学家完成更多“不可能”。所以冷电获奖实至名归！