2017年10月4日/生物谷BIOON/---在人們的一片猜測中，2017年諾貝爾化學獎終于揭曉了！當地時間2017年10月4日，瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布將2017年度諾貝爾化學獎授予給瑞士洛桑大學的Jacques Dubochet、美國哥倫比亞大學的Joachim Frank和英國劍橋大學醫學研究委員會分子生物學實驗室的Richard Henderson，獲獎理由是“開發出冷凍電子顯微鏡技術（cryo-electron microscopy, 也稱作electron cryomicroscopy, cryo-EM, 也稱為低溫電子顯微鏡技術）用于確定溶液中的生物分子的高分辨率結構。” 這三人將均分900萬瑞典克朗獎金。
結構生物學領域有一條不成文的觀點：結構決定功能。只有知道生物分子的原子排布，科學家們才能了解這個蛋白的功能。幾十年來，分析蛋白結構有一個無冕之王——X射線晶體衍射。在X射線晶體衍射中，科學家們讓蛋白結晶，然后利用X射線照射，隨后根據X射線的衍射來重建蛋白的結構。在蛋白質數據銀行（Protein Data Bank）的100000多條蛋白詞目里，超過90%的蛋白結構是利用X射線晶體衍射技術解析得到的。
盡管X射線晶體衍射一直是結構生物學家的最佳工具，但是它存在較大的限制。科學家們將蛋白進行大塊結晶通常需要多年的時間。而很多基礎蛋白分子，例如嵌在細胞膜上的蛋白，或是形成復合體的蛋白卻無法被結晶。
X射線晶體衍射技術（X-ray crystallography）即將成為歷史，冷凍電子顯微技術引發結構生物學乃至生物化學變革。
冷凍電子顯微鏡技術引發生物化學變革
我們可能很快就會獲得復雜生命系統的詳細原子分辨率圖片。2017年諾貝爾化學獎被授予被Jacques Dubochet、Joachim Frank和Richard Henderson，以表彰他們開發出冷凍電子顯微鏡技術。這種技術簡化和改進了對生物分子的成像。它將生物化學帶入一個新的時代。
圖片是理解的關鍵。科學突破經常建立在成功地將人眼不能看見的物體可視化的基礎之上。然而，在生物化學領域，這方面在過去很長的時間里是一片空白，這是因為現有技術很難產生大多數生物分子復合體的圖片。冷凍電子顯微技術改變了這一切。如今，研究人員能夠對移動中的生物分子進行凍存，并且對他們之前不能看見的過程進行可視化觀察，這對生命的化學性質的基本理解和開發藥物產生決定性的影響。
長期以來，人們認為電子顯微鏡僅適合對無生命的物質進行成像，這是因為它產生的大功率的電子束會破壞生物材料。但是在1990年，Richard Henderson成功地利用電子顯微鏡在原子分辨率下產生一種蛋白的三維結構圖片。這一突破證明了這種技術的潛力。
Joachim Frank讓這種技術得到廣泛應用。在1975年到1986年期間，他開發出一種圖片處理方法來分析電子顯微鏡產生的模糊的二維圖片，并且將這些模糊的二維圖片進行合并而產生清晰的三維結構圖。
Jacques Dubochet將水加入電子顯微鏡中。液態水在電子顯微鏡的真空環境中蒸發，從而使得生物分子分解。在上世紀80年代早期，Dubochet成功地實現水玻璃化（vitrifying water）：快速地讓水冷卻以至于它在液態狀態時在生物樣本周圍凝固，從而允許生物分子在真空環境下保持它們的自然形狀。
在這些發現之后，電子顯微鏡的每個方面都得到優化。2013年，電子顯微鏡實現理想的原子分辨率。如今，研究人員能夠程式化地獲得生物分子的三維結構。在過去的數年里，科學文獻到處可以看到各種物質的高清晰圖片，從導致抗生素耐藥性的蛋白，到寨卡病毒的外殼表面。如今，生物化學正面臨著爆炸性的發展，做好迎接激動人心的未來的準備。
冷凍電子顯微鏡技術發展趨勢
冷凍電子顯微鏡技術適用于研究大的、穩定的分子，這些分子能夠承受電子的轟擊，而不發生變形——由多個蛋白組成的分子機器是最好的樣本。因此由RNA緊緊圍繞的核糖體是最佳的樣本。三位化學家用X射線晶體衍射研究核糖體溶液的工作在2009年獲得了諾貝爾化學獎，但這些工作花了幾十年。近幾年，冷凍電鏡研究者們也陷入了“核糖體熱”。多個團隊研究了多種生物的核糖體，包括人類核糖體的首個高清模型。X射線晶體衍射的研究成果遠遠落后于英國劍橋大學醫學研究理事會（MRC）分子生物學實驗室（LMB）的Venki Ramakrishnan實驗室，Venki獲得了2009年的諾貝爾化學獎。Venki表示，對于大分子來說，冷凍電子顯微鏡遠比X射線晶體衍射要實用。
這幾年，冷凍電子顯微鏡技術的相關文章有很多：2015年一年，這個技術就用于100多個分子的結構研究。X-射線晶體衍射只能對單個、靜態的蛋白晶體成像，但冷凍電子顯微鏡技術能夠對蛋白的多種構象進行成像，幫助科學家們推斷蛋白的功能。
現在冷凍電子顯微鏡技術迅猛發展，專家們正在尋找更大的挑戰作為下一個解析目標。對很多人來說，最想解析的是夾在細胞膜內的蛋白。這些蛋白是細胞信號通路中的關鍵分子，也是比較熱門的藥物靶標。這些蛋白很難結晶，而冷凍電子顯微鏡技術不大可能對單個蛋白進行成像，這是因為很難從背景噪音中提取這些信號。
這些困難都無法阻擋加利福利亞大學（University of California）的生物物理學家程亦凡。他計劃解析一種細小的膜蛋白TRPV1的結構。TRPV1是檢測辣椒中引起灼燒感的物質的受體，并與其它的痛感蛋白緊密相關。加利福利亞大學病理學家David Julius等人之前嘗試結晶TRPV1，結果失敗。用冷凍電子顯微鏡技術解析TRPV1的結構，一開始進展緩慢。但2013年底，技術進步使得這一項目有了重大突破，他們獲得了分辨率為0.34納米的TRPV1蛋白的結構。該成果的發表對于領域來說，無異于驚雷。因為這證實了冷凍電子顯微鏡技術能夠解析重要的小分子。
盡管冷凍電子顯微鏡技術發展迅速，很多研究人員認為，它仍有巨大提升空間。他們希望能制造出更靈敏的電子探測器，以及更好地制備蛋白樣本的方法。這樣的話，就能夠對更小的、更動態的分子進行成像，并且分辨率更高。2016年5月，有研究人員發表了一篇細菌蛋白的結構，分辨率達到了0.22納米。這也顯示了冷凍電子顯微鏡技術的潛力。
2017年1月，來自埃默里大學醫學院等研究機構的研究人員開發出了一種新型的低溫相關的光鏡和電鏡工作流（cryo-CLEM）。他們首先在脆性碳覆蓋的黃金網格中對病毒感染或轉染的細胞進行培養，隨后進行玻璃化操作，即對細胞快速冷卻以免冰晶形成，一旦細胞被冷卻研究人員就能夠利用低溫熒光顯微鏡和低溫電子斷層掃描術對細胞進行研究，低溫（負150度以下）對于這兩種技術而言非常必要，而且樣品玻璃化后進行光學顯微鏡檢查還能夠抑制細胞繼續生長以及位置發生改變。他們指出，利用低溫電子斷層掃描術獲得的數據還能夠幫助我們在高分辨率下獲取單一完整病毒和病毒蛋白的圖像，這項研究中研究者對呼吸道合胞體病毒進行了研究，他們發現，候選減毒活疫苗在結構上同呼吸道合胞體病毒結構非常相似。這種名為cryo-CLEM的新技術能夠對扁平生長的細胞進行研究，因為標準的光束并不能夠穿透厚度大于1微米的細胞，而哺乳動物的細胞通常有幾微米寬，而諸如HIV等病毒大約為0.1微米。
2017年3月，瑞士蘇黎世大學生物化學系細胞生物學教授Ohad Medalia及其團隊利用低溫電子斷層掃描術首次成功地在分子分辨率上闡明細胞核的核纖層（lamina）結構。這種技術將電子顯微術和斷層掃描術結合在一起，能夠在準自然狀態下可視化三維觀察細胞結構。
1997年時，英國醫學研究委員會分子生物學實驗室結構生物學家Richard Henderson非常堅定地宣稱，冷凍電子顯微鏡技術會成為解析蛋白結構的主流工具。在將近20年后的今天，他的預測比當年有了更多底氣。Henderson表示，如果冷凍電子顯微鏡技術保持這樣的勢頭繼續發展，技術問題也得以解決，那么冷凍電子顯微鏡技術不僅會成為解析蛋白結構的第一選擇，而是主流選擇。這個目標已經離我們不遠了。（生物谷 Bioon.com）
參考資料：
1.Press Release: The Nobel Prize in Chemistry 2017
2.Nature、Science和Cell三大期刊低溫電鏡解析蛋白結構重大研究
3.Nat Protocols：利用低溫光學和電子顯微鏡聯合技術觀察并研究活體病毒
4.Nature：重磅！首次解析出細胞核骨架的三維分子結構
