冷冻电镜是个啥，有多牛？

2017年诺贝尔化学奖颁给了发明冷冻电镜的三位学者。

他们是： 

哥伦比亚大学教授约阿基姆·弗兰克（Joachim Frank），苏格兰分子生物学家和生物物理学家理查德·亨德森（Richard Henderson）以及瑞士洛桑大学生物物理学荣誉教授雅克·迪波什（Jacques Dubochet）。

冷冻电镜是个啥？

冷冻电镜它首先是一个电镜。

而电镜是电子显微镜的缩写。所谓电子显微镜，又是在光学显微镜的基础上发展出来的。

光学显微镜利用可见光作为探针来观测微观物体，比如光学显微镜可以观察细胞。但是，对于细胞内的蛋白质分子，光学显微镜就看不见它了。

为什么呢？

原因其实很简单，光学显微镜利用的是光子的波动性，而光子的波长大概在500纳米左右。 蛋白质分子大小在1-100nm之间，所以光子的波长比蛋白质分子还要大，因此光照在蛋白质分子上就好像一只鸭子要去“踩死”一只蚂蚁，这肯定是“踩”不住的。光波能绕过蛋白质分子，也就看不到蛋白质了。

为了“踩”住一个蚂蚁，必须有一根比蚂蚁还小的针，在蚂蚁背上插下去。这就是电子显微镜的来源。

电子的波长是光子波长的十万分之一左右，是一根极细的探针，理论上它打在蛋白质分子这类生物大分子身上能被反射，这些反射的电子就能产生一张照片，这就是电子显微镜的基本原理。

Titan Krios 电子显微镜

图自网络

然而，电子显微镜也只是在理论上可以看到蛋白质分子。

因为电子显微镜一般只能用来观测一些无机样品，比如它可以看石墨的表面，也可以看陶瓷的表面。但一旦让电子显微镜的电子去轰击蛋白质分子这类生物大分子的时候，问题就出来了。

第一个问题是真空问题，电子显微镜的电子只能在真空中飞行的时候才能保持稳定的动能。而蛋白质这类生物大分子一般处于溶液中，在真空环境下，溶液会挥发出来，污染电子显微镜。

第二个问题是电子打在蛋白质这类生物大分子上容易把蛋白质打坏了，因为电子的能量比较高，而生物大分子一般依靠氢键来形成它的空间结构，氢键的能量很低，电子打上去以后，氢键就被打断了。

第三个问题则更加严重，因为蛋白质分子这类生物大分子是有活性的，它们是运动的，电子打上去反射回来的方向会因为分子的运动而变得杂乱无章。这就好像我们用普通傻瓜相机拍摄赛车比赛，拍出来的照片全是虚的——原因很简单：赛车是在运动的。

基于以上三个原因，所以传统的电子显微镜是看不了蛋白质分子有活性的生物大分子的。

为了解决这个困难，冷冻电镜技术应运而生。

如何冷冻？

为了观测蛋白质分子这类生物大分子的空间结构，研究空间结构与生物大分子的功能之间的联系，科学家们需要在真空环境下把蛋白质分子固定住。

在这个指导思想下，科学家想到了冷冻的方法。

他们用液态的乙烷等快速冷冻含有水分的生物样品，这样就可以制备出很薄的水膜（生物大分子就冷冻在这个水膜里）。冷冻完成以后，就可以用电镜来观测蛋白质等生物大分子的空间结构了。

以上主要说了冷冻电镜的硬件原理。当然，为了正在解析出拍摄到的很多二维照片与生物大分子的三维空间结构之间的关系，还需要一套很好的计算机软件算法。

冷冻电镜主要是促进了结构生物学的蓬勃发展。所以，这一次诺贝尔化学奖又成了名副其实的“理科综合奖”，因为它奖励给了物理学家，而被用到了生物学研究领域。