這台頂天立地的柜子，牛在什麼地方

今年5月9日,浙大成立冷凍電鏡中心

昨天,諾貝爾化學獎就頒給了冷凍電鏡的三位研究者——

它能秒降1萬℃,還原清晰的三維原子結構,讓生化研究迎來爆髮式的進展

新華社發

諾貝爾化學獎公布現場。新華社發

北京時間10月5日17:45分,2017年諾貝爾化學獎揭曉——瑞士洛桑大學的雅克·杜博歇(Jacques Dubochet)、美國哥倫比亞大學的約阿希姆·弗蘭克(Joachim Frank)和英國劍橋大學的理查德·亨德森(Richard Henderson)三位科學家因在冷凍電子顯微術領域的貢獻,獲此殊榮。

那麼,「冷凍電子顯微術」到底靠什麼特殊「技能」,贏得了諾貝爾化學獎評委們的認可?

其實答案聽上去並不複雜——瞬間冷凍細胞中的生物大分子,讓其保持「純天然狀態」,而後給它拍照,獲得二維影像,並通過技術手段,形成三維影像圖。這有助於研究人員進行更清晰的研究,探索生物本源,能對生物基礎研究領域起到非常重大的推進作用。

這個「瞬間」又有多快呢?大概是一秒鐘里溫度驟降1萬攝氏度。

今年5月9日,浙大也斥巨資成立了浙江大學冷凍電鏡中心。該中心主任張興告訴錢報記者,浙大的冷凍電鏡中心和相關設備已投入使用。

瞬間降低1萬℃

讓生物大分子保持原生態

「其實它是兩種技術,一種是冷凍技術,一種是電子顯微技術。」昨天傍晚,錢報記者第一時間聯繫上浙江大學冷凍電鏡中心主任張興。來到浙大之前,他曾就職於全世界冷凍電鏡發展最前沿的實驗室、加州大學洛杉磯分校的納米系統學院電子成像中心。

這台綜合了瞬間冷凍和拍照功能於一身的大塊頭,看起來就是個頂天立地的大柜子。它擁有極高解析度,能看清比納米還小一個級別的單位結構。而且非常平穩,常規電子顯微鏡每拍一張照片前,需要10分鐘穩定樣品,而這台冷凍電鏡大概只要20秒,效率相差30倍。當然,大塊頭的價值自然也不菲,「不算高端配置的,也得600萬美元以上」。

冷凍電子顯微術是繼X射線晶體學和核磁共振之後的第三種手段,相較這兩種,它最大的優點是能保持很好的樣品狀態。因為用於實驗的生物樣品是在水環境下,快速冷凍要使得水環境在玻璃態下被冷凍,「如果是緩慢降溫,會形成水結晶,結晶的冰就會破壞生物大分子的三維結構。」

那麼這「瞬間降溫」又是多快呢?張興說,只有每秒鐘的溫度下降1萬℃,才會形成玻璃態冰。簡單說,降溫靠的是液氮冷卻乙烷,再把實驗樣品放入被冷卻的乙烷中,這使得水分子來不及轉向,就被定在了原處。

接下來就是電子顯微鏡出場,並搜集數據。張興介紹,電子顯微鏡本身是一個真空環境,普通的帶水樣品在真空環境中水分很快會揮發,而在冷凍後的低溫環境下,能較好地保持樣品,低溫還可以增加樣品的抗電子輻射能力。

下一步就是拍照了。拍照得到二維圖影像,用三維圖像處理還原成三維原子結構。拍照速度一般是0.5秒到兩三秒拍一張。

有助探究生物本源

還能有針對性打擊病毒

有評論稱,這項技術讓生物化學邁向了新的時代。不僅簡化和改進了生物分子的成像,還讓人類很有可能在近期內獲得原子級別解析度下的生命複雜機械的詳細圖像。

因為以前的技術,難以實現生命體的大部分分子內在機械的可視化,可是冷凍電子顯微鏡卻給科學家們打開了一扇窗,看到從未見過的生物進程。這對進一步理解生命的基礎化學過程以及發展相關醫藥領域都有決定性影響。

那麼,目前可以期待的實際應用又在哪些方面呢?

張興告訴錢報記者,這種技術主要還是應用在基礎研究領域,也就是蛋白機器和細胞高分辨結構。不過,現在很多醫藥工程領域的專家也在尋求用這種技術確定蛋白機器的三維結構,拿到蛋白機器的三維原子結構後,為藥物設計提供潛在靶點,「以後還會有越來越廣的應用。」

「我們要了解生命,就要了解組成生命的這些基本的原子結構,知道基本結構信息後,才能去理解生命是怎麼構成的。」張興說,每個細胞都由成千上萬大分子組成,我們研究的主要是蛋白機器。

實際上,在2008年到2010年間,張興是世界上第一個利用這種技術解析出生物大分子原子結構的科學家。

當時解析的樣本是一種病毒原子結構,看它是如何在感染細胞過程中被激活的。這項研究結果以及通過冷凍電子顯微術獲得類似成果的實驗,可以在未來有針對性地對病毒進行打擊,「我們必須要理解它的機理,阻斷其感染過程,這樣在未來的製藥過程中,針對性也更強。」

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據果殼網發布的公開資料,電子顯微鏡被認為只適用於死亡物質的成像,因為高強度的電子束會破壞生物材料。但是在1990年,理查德·亨德森成功使用電子顯微鏡,得到了原子級解析度的三維蛋白質圖像。這一突破證明了這項技術的潛力。

約阿希姆·弗蘭克使這項技術得以普遍應用。在1975到1986年間,他研發了一種圖像處理方法,可以對電子顯微鏡下模糊的2D圖像進行分析和合併,從而顯示出一個清晰的三維結構。

雅克·杜博歇則在電子顯微鏡中加入了水。液態水會在電子顯微鏡的真空中氣化,令生物分子坍塌。但20世紀80年代早期,杜博歇成功地使水玻璃化——他令水快速降溫,在生物樣本周圍以液態形式固化,使生物分子即使在真空中也能維持天然形態。

在這些發現之後,電子顯微鏡的每個微小部件都被優化過了。2013年,電子顯微鏡終於達到了夢寐以求的原子級解析度。

現在,獲得生物分子的三維結構已經是研究者們的日常。過去幾年,科學文獻充滿了各種各樣東西的圖像,從造成抗生素耐藥性的蛋白質到寨卡病毒的表面,不一而足。

生物化學正迎來一場爆髮式的進展,我們已經準備好面對激動人心的未來。

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