冷冻电镜有什么用？——2017诺贝尔化学奖简析

他们让生物化学进入了一个新时代，令生物分子的成像在原子分辨率上获得简单、清晰的图像。

出生于欧洲的三名科学家因“发展冷冻电镜，用于在溶液中测定生物分子的高分辨率结构”而分享了2017年诺贝尔化学奖。这一消息10月4日在瑞典斯德哥尔摩公布。

三名科学家分别是瑞士洛桑大学生物物理荣誉教授雅克·杜波切特（Jacques Dubochet）、美国哥伦比亚大学生物化学、分子生物物理和生物学教授阿希姆·弗兰克（Joachim Frank），以及英国医学研究理事会分子生物学实验室负责人理查德·亨德森（Richard Henderson）。

Joachim Frank（资料图/图）

Richard Henderson（资料图/图）

瑞典皇家科学院表示，三人的贡献令生物分子的成像变得更简单和清晰，让生物化学进入了一个新时代。“我们可能很快就能在原子分辨率上获得复杂的生命装置的精细图像。”

冷冻电镜的诞生

亨德森1945年出生于英国爱丁堡。幼年时期，他的许多小伙伴都因为家境困难而早早辍学工作，而他的父母从英国政府得到了资助，让他能够在15岁之后继续求学。亨德森在大学中最初念的是物理，但在21岁时转向了分子生物学。他师从英国很有影响力的生物物理学家大卫·布罗（David Blow），进入英国医学研究理事会分子生物学实验室，在这一时期开始接触测定蛋白酶原子结构的工作。

他在工作中所用到的是一种叫做“X射线晶体学”的方法，这种方法通常用于研究晶体中的原子排列，它也是当时以原子分辨率测定生物分子结构的“金指标”。然而，这个方法有它难以解决的短板。这种方法要求蛋白在被扫描之前必须先结晶，但有些情况下这一要求几乎不可能满足，或者满足了也没有什么意义，因为在结晶状态下，蛋白会形成特定的排列，这让研究者无法看到蛋白在正常工作时的状态。

亨德森在测定一种嵌在细胞膜上的蛋白时就遇到了很大的问题。这种名为视紫红质（bacteriorhodopsin）的蛋白无法结晶，这个问题让亨德森头疼了多年。他不得不求助于另一种技术——电子显微镜。电子显微镜的原理，相当于是用电子替代光线来照射物体，由于电子的波长远低于光波，它能够看到非常小尺度的结构。

但是在当时看来，这种方法对亨德森来说也“明显”是行不通的。电子显微镜只能用来研究死物：一方面，电子的能量会把生物分子烧毁；另一方面，它需要真空环境，而这会让生物分子因周围的水分蒸发而降解，由此获得的照片也就没什么用处了。

亨德森在这条路上想尽了办法。为了让这种膜蛋白保持它本身的结构，他把整个带有视紫红质的细胞膜放到电镜下观测，而为了保护样品，他和同事还在在样品上盖上葡萄糖溶液防止水分蒸发。几年之后，他们还使用液氮冷冻的方法来保护样品不被电子束摧毁。

终于，在1975年，第一个非常粗糙的视紫红质蛋白结构发表了出来，图片上可以看出七个跨膜蛋白链。

不过，亨德森所发展出来的方法也具有其局限性，这是因为他所研究的蛋白本身的特性让研究者能够采用所谓“冷冻电子断层成像术”来测定其结构。简单来说，研究人员要转动细胞膜，从不同角度对蛋白拍照，最终构建出蛋白的三维结构。这种方法只适用于排列有一定规律的蛋白——如果它们是杂乱无章的，这种方法就难以奏效了。

此时，弗兰克所发明的另一种方法就要发挥作用了。弗兰克出生于二战时期的德国，就像很多日后成为科学家或工程师的人那样，他在小时候对收音机产生过浓厚的兴趣，曾经自己组装收音机。他从高中就开始主修物理，大学期间就思考了很多电子和真空技术相关的问题。在完成德国的学业之后，弗兰克前往美国，跟妻子买了一辆旧车，开到美国宇航局喷气推进实验室（JPL）。虽然这个地方乍看起来与他研究的显微镜八竿子打不着，但喷气推进实验室汇集了世界上最优秀的图像处理专家，这让弗兰克获益匪浅。

弗兰克的开创性工作，是写了一套软件，让“单粒子分析”成为可能。在这种方法中，研究人员首先使用电子显微镜对生物分子拍摄几万乃至几百万张照片，图片中不同的分子的朝向可能是不同的，此时，软件把相似朝向的分子的照片归类在一起，由这些照片合成一张清晰的图像。当获得足够多不同方向的照片时，分子的三维结构就能够被构建出来了。

但是问题还没有完全解决，1975年，亨德森深受困扰的一个问题是如何让蛋白周围的水分不在真空环境中蒸发。一些研究人员想到的方法是，把水冻成冰。然而，一般的冷冻方法会使液体结冰，但冰晶会影响电镜的成像，导致无法观测能融于水的生物分子。

要如何让水降温变成固体但又不变成冰呢？1982年，杜波切特找到了一种快速冷冻的方法，使水分子来不及变成排列整齐的冰晶就被冻成固体了，就像玻璃一样。通过这个方法，生物分子周围的水被很好的保存了下来，电镜下它们保持着最自然的、在生物体内的样子。至此，冷冻电镜的雏形算是完成了。亨德森也终于在1990年得到了一个原子级别分辨率的3D蛋白结构。

不过此时获得的图像的细节还不是很丰富，那些生物分子在照片中都是难以名状的一团团的物体，这一领域的研究者也被戏称为“难以名状学家”（blobologist）。直到2013年，在种种技术难题被克服之后，冷冻电子显微镜的分辨率终于达到了原子级。

获奖者的中国影响

冷冻电镜改变了许多生物领域的研究方式，使得很多研究能够快速取得重大突破。大分子复合物的结构越来越容易被解析，甚至可以看到蛋白与蛋白之间的相互作用。比如，对寨卡病毒的结构解析能够推进相关药物的研究。同样的，对蛋白质结构越了解，越能更快的设计和开发新药。在中国，清华大学施一公的实验室也是通过冷冻电镜解析了酵母的剪接体的三维结构，从而说明了剪接体的工作机理。

亨德森所在的英国医学研究理事会分子生物学实验室成立于1947年，它是世界上最早的分子生物学实验室之一；70年来，包括亨德森在内，产生了11名诺贝尔奖得主。在亨德森看了，做一名科学家的最大好处是，可以自由追求自己所认为的最有潜力的方向。他认为人们对他的领域的最大误解，是把它当成一种无聊的工作，而不是一种小众的艺术形式。

中国科学家最早接触到电子显微镜，是1950年钱临照从撤向台湾的国民党那里取得了被遗弃的电子显微镜零部件，这些零部件是由英国人生产的。钱临照在没有组装说明的情况下，与同事们把它组装了起来，并在四年后发表了中国历史上第一篇用电子显微镜做出的成果论文。

1970年代末，张锦珠加入杜波切特所在的欧洲分子生物学实验室（EMBL），随后，李云、王大能等也都在这间实验室参与过工作，他们都成为了中国最早使用冷冻电镜进行研究的一批科学家。

弗兰克的实验室也影响非常深远。从他实验室的网站上列出的同学名单可以看出，来自世界各地的学生在他这里获得了训练，很多人离开后又到世界各地的研究机构继续从事研究。清华大学的高海啸、雷建林和高宁，都曾在弗兰克的实验室参与工作，他们后来得到施一公的赏识和支持，到清华大学建立了世界级的电镜实验室。