2017諾貝爾化學獎：冷凍電鏡技術如何革新生物化學？
2017年度的諾貝爾化學獎10月4日授予賈克?杜伯謝（Jacques Dubochet）、約阿希姆?弗蘭克（Joachim Frank）和理查德?亨德森（Richard Henderson），表彰他們在開發用於溶液中生物分子高解析度結構測定的冷凍電鏡技術。3名科學家分別來自瑞士、美國和英國，他們將共同分享900萬瑞典克朗(約合人民幣738.49萬元)獎金。
3名科學家的早期貢獻
冷凍電鏡（Cryo-EM）慣稱低溫電子顯微鏡技術，是指在低溫下通過使用透射電子顯微鏡去觀察實驗樣品的顯微技術，它與X射線晶體學、核磁共振一起構成了高解析度結構生物學研究基礎。
來自諾貝爾獎委員會的官網介紹說，冷凍電鏡這項技術簡化並大幅度提升了生物分子成像的質量，將生物化學研究帶入一個嶄新的時代。此次獲諾貝爾化學獎的三位科學家分別在冷凍電鏡基本理論、重構演算法和實驗方面作出了早期重要貢獻。
長期以來，人們認為電子顯微鏡只能用於死亡物質成像，因為強大的電子束破壞了生物材料。但在1990年，理查德?亨德森成功利用電子顯微鏡在原子解析度上生成了蛋白質的三維圖像。這一突破證明了該技術的潛力。
通常，圖像顯示是研究人員對實驗進行分析的關鍵，約阿希姆?弗蘭克讓這項技術普及應用。1975年到1986年間，他開發的圖像處理方法使得電子顯微鏡的模糊2D結構圖被分析和合併，生成清晰的三維圖像。
快速冷凍，可以使蛋白質和所在水溶液環境迅速沖溶液態轉變為玻璃態，而玻璃態則可以使蛋白質的結構保持其天然狀態。「假如以溫和緩慢的方式進行冷凍，這樣便會形成晶體冰過程，生物分子的結構將會被損壞。」
而為了在高倍鏡下觀察到生物分子的結構性分離，賈克?杜伯謝將水加入了電子顯微鏡。上世紀80年代早期，杜伯謝通過快速降溫，讓水在生物樣本中固化，使得生物分子能夠在真空中保持其自然形態。
生物化學突破，技術應用常態化
技術升級和創新使得電子顯微鏡每一個「螺母和螺栓」結構部件都得到了優化。2013年，科學家們成功實現了符合生物分子原子解析度的指標，這項技術突破給結構生物學領域帶來一次革新。許多長期無法解決的重要大型複合體及膜蛋白的原子解析度結構被攻克。
現在，使用冷凍電鏡技術分析生物分子三維結構已成為科學家們的常規做法。近年來，從導致抗生素耐藥性的蛋白質到寨卡病毒的表面，科學文獻中充滿著各種圖像數據。生物化學目前正面臨著爆炸性的發展，未來令人興奮。
事實上，諾貝爾化學獎自設立以來，它的研究成果一直在普惠於人類生活。北京生命科學研究所研究員何萬中說，3名科學家因冷凍電鏡技術獲得諾貝爾化學獎乃是實至名歸。
「亨德森博士憑藉他深厚的物理學及電子顯微學功底，提出實現原子解析度冷凍電鏡技術的可行性，在理論上做了一系列超前的預見。」何萬中撰文分析說，在電鏡解析度的技術革命中，亨德森是個不折不扣的發起者。
「我們現在有一條狗每天早晨起床特別早，我是被狗的聲音叫醒的。但這一次被叫醒的是諾貝爾獎電話消息，我很開心。」約阿希姆?弗蘭克在獲得諾獎後說到。理查德?亨德森在獲諾獎後接受電話採訪時描述了冷凍電鏡技術為何如此重要，稱冷凍電鏡技術打開了一個無與倫比的結構生物學領域。
自1901年至今，諾貝爾化學獎共頒發109次，授予了178位得主。已故英國生物化學家弗雷德里克?桑格（Frederick Sanger）是唯一在1958年和1980年兩次獲得該獎項的科學家，這意味著百餘年來共有177人獲得諾貝爾化學獎。
※科學家發現引力波獲諾獎 告訴你為何「眾望所歸」
※單兵綜合作戰系統2.0版1秒快拆，性能爆表
※虛擬與現實結合的賽車遊戲
※諾貝爾獎是怎麼變得這麼厲害的？
※2017年諾貝爾生理學獎告訴你 正常作息比你想像的更重要
TAG:中國數字科技館 |