冷凍電鏡有什么用？——2017諾貝爾化學獎簡析

他們讓生物化學進入了一個新時代，令生物分子的成像在原子分辨率上獲得簡單、清晰的圖像。

出生于歐洲的三名科學家因“發展冷凍電鏡，用于在溶液中測定生物分子的高分辨率結構”而分享了2017年諾貝爾化學獎。這一消息10月4日在瑞典斯德哥爾摩公布。

三名科學家分別是瑞士洛桑大學生物物理榮譽教授雅克·杜波切特（Jacques Dubochet）、美國哥倫比亞大學生物化學、分子生物物理和生物學教授阿希姆·弗蘭克（Joachim Frank），以及英國醫學研究理事會分子生物學實驗室負責人理查德·亨德森（Richard Henderson）。

Joachim Frank（資料圖/圖）

Richard Henderson（資料圖/圖）

瑞典皇家科學院表示，三人的貢獻令生物分子的成像變得更簡單和清晰，讓生物化學進入了一個新時代。“我們可能很快就能在原子分辨率上獲得復雜的生命裝置的精細圖像。”

冷凍電鏡的誕生

亨德森1945年出生于英國愛丁堡。幼年時期，他的許多小伙伴都因為家境困難而早早輟學工作，而他的父母從英國政府得到了資助，讓他能夠在15歲之后繼續求學。亨德森在大學中最初念的是物理，但在21歲時轉向了分子生物學。他師從英國很有影響力的生物物理學家大衛·布羅（David Blow），進入英國醫學研究理事會分子生物學實驗室，在這一時期開始接觸測定蛋白酶原子結構的工作。

他在工作中所用到的是一種叫做“X射線晶體學”的方法，這種方法通常用于研究晶體中的原子排列，它也是當時以原子分辨率測定生物分子結構的“金指標”。然而，這個方法有它難以解決的短板。這種方法要求蛋白在被掃描之前必須先結晶，但有些情況下這一要求幾乎不可能滿足，或者滿足了也沒有什么意義，因為在結晶狀態下，蛋白會形成特定的排列，這讓研究者無法看到蛋白在正常工作時的狀態。

亨德森在測定一種嵌在細胞膜上的蛋白時就遇到了很大的問題。這種名為視紫紅質（bacteriorhodopsin）的蛋白無法結晶，這個問題讓亨德森頭疼了多年。他不得不求助于另一種技術——電子顯微鏡。電子顯微鏡的原理，相當于是用電子替代光線來照射物體，由于電子的波長遠低于光波，它能夠看到非常小尺度的結構。

但是在當時看來，這種方法對亨德森來說也“明顯”是行不通的。電子顯微鏡只能用來研究死物：一方面，電子的能量會把生物分子燒毀；另一方面，它需要真空環境，而這會讓生物分子因周圍的水分蒸發而降解，由此獲得的照片也就沒什么用處了。

亨德森在這條路上想盡了辦法。為了讓這種膜蛋白保持它本身的結構，他把整個帶有視紫紅質的細胞膜放到電鏡下觀測，而為了保護樣品，他和同事還在在樣品上蓋上葡萄糖溶液防止水分蒸發。幾年之后，他們還使用液氮冷凍的方法來保護樣品不被電子束摧毀。

終于，在1975年，第一個非常粗糙的視紫紅質蛋白結構發表了出來，圖片上可以看出七個跨膜蛋白鏈。

不過，亨德森所發展出來的方法也具有其局限性，這是因為他所研究的蛋白本身的特性讓研究者能夠采用所謂“冷凍電子斷層成像術”來測定其結構。簡單來說，研究人員要轉動細胞膜，從不同角度對蛋白拍照，最終構建出蛋白的三維結構。這種方法只適用于排列有一定規律的蛋白——如果它們是雜亂無章的，這種方法就難以奏效了。

此時，弗蘭克所發明的另一種方法就要發揮作用了。弗蘭克出生于二戰時期的德國，就像很多日后成為科學家或工程師的人那樣，他在小時候對收音機產生過濃厚的興趣，曾經自己組裝收音機。他從高中就開始主修物理，大學期間就思考了很多電子和真空技術相關的問題。在完成德國的學業之后，弗蘭克前往美國，跟妻子買了一輛舊車，開到美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）。雖然這個地方乍看起來與他研究的顯微鏡八竿子打不著，但噴氣推進實驗室匯集了世界上最優秀的圖像處理專家，這讓弗蘭克獲益匪淺。

弗蘭克的開創性工作，是寫了一套軟件，讓“單粒子分析”成為可能。在這種方法中，研究人員首先使用電子顯微鏡對生物分子拍攝幾萬乃至幾百萬張照片，圖片中不同的分子的朝向可能是不同的，此時，軟件把相似朝向的分子的照片歸類在一起，由這些照片合成一張清晰的圖像。當獲得足夠多不同方向的照片時，分子的三維結構就能夠被構建出來了。

但是問題還沒有完全解決，1975年，亨德森深受困擾的一個問題是如何讓蛋白周圍的水分不在真空環境中蒸發。一些研究人員想到的方法是，把水凍成冰。然而，一般的冷凍方法會使液體結冰，但冰晶會影響電鏡的成像，導致無法觀測能融于水的生物分子。

要如何讓水降溫變成固體但又不變成冰呢？1982年，杜波切特找到了一種快速冷凍的方法，使水分子來不及變成排列整齊的冰晶就被凍成固體了，就像玻璃一樣。通過這個方法，生物分子周圍的水被很好的保存了下來，電鏡下它們保持著最自然的、在生物體內的樣子。至此，冷凍電鏡的雛形算是完成了。亨德森也終于在1990年得到了一個原子級別分辨率的3D蛋白結構。

不過此時獲得的圖像的細節還不是很豐富，那些生物分子在照片中都是難以名狀的一團團的物體，這一領域的研究者也被戲稱為“難以名狀學家”（blobologist）。直到2013年，在種種技術難題被克服之后，冷凍電子顯微鏡的分辨率終于達到了原子級。

獲獎者的中國影響

冷凍電鏡改變了許多生物領域的研究方式，使得很多研究能夠快速取得重大突破。大分子復合物的結構越來越容易被解析，甚至可以看到蛋白與蛋白之間的相互作用。比如，對寨卡病毒的結構解析能夠推進相關藥物的研究。同樣的，對蛋白質結構越了解，越能更快的設計和開發新藥。在中國，清華大學施一公的實驗室也是通過冷凍電鏡解析了酵母的剪接體的三維結構，從而說明了剪接體的工作機理。

亨德森所在的英國醫學研究理事會分子生物學實驗室成立于1947年，它是世界上最早的分子生物學實驗室之一；70年來，包括亨德森在內，產生了11名諾貝爾獎得主。在亨德森看了，做一名科學家的最大好處是，可以自由追求自己所認為的最有潛力的方向。他認為人們對他的領域的最大誤解，是把它當成一種無聊的工作，而不是一種小眾的藝術形式。

中國科學家最早接觸到電子顯微鏡，是1950年錢臨照從撤向臺灣的國民黨那里取得了被遺棄的電子顯微鏡零部件，這些零部件是由英國人生產的。錢臨照在沒有組裝說明的情況下，與同事們把它組裝了起來，并在四年后發表了中國歷史上第一篇用電子顯微鏡做出的成果論文。

1970年代末，張錦珠加入杜波切特所在的歐洲分子生物學實驗室（EMBL），隨后，李云、王大能等也都在這間實驗室參與過工作，他們都成為了中國最早使用冷凍電鏡進行研究的一批科學家。

弗蘭克的實驗室也影響非常深遠。從他實驗室的網站上列出的同學名單可以看出，來自世界各地的學生在他這里獲得了訓練，很多人離開后又到世界各地的研究機構繼續從事研究。清華大學的高海嘯、雷建林和高寧，都曾在弗蘭克的實驗室參與工作，他們后來得到施一公的賞識和支持，到清華大學建立了世界級的電鏡實驗室。