冷冻电镜：一个发给了物理学家的诺贝尔化学奖，奖励他们帮助了生物学家｜“知识分子”特别报道

原创 2017-10-04 知识分子 知识分子

► 2017年诺贝尔化学奖授予三位冷冻电镜领域的学者

他们对冷冻电镜技术的发展做出突出贡献

获奖人简介
约阿基姆·弗兰克（Joachim Frank）

德裔生物物理学家，现为哥伦比亚大学教授。他因发明单粒子冷冻电镜（cryo-electron microscopy）而闻名，此外他对细菌和真核生物的核糖体结构和功能研究做出重要贡献。弗兰克2006年入选为美国艺术与科学、美国国家科学院两院院士。2014年获得本杰明·富兰克林生命科学奖。

理查德·亨德森（Richard Henderson）

苏格兰分子生物学家和生物物理学家，他是电子显微镜领域的开创者之一。1975年，他与Nigel Unwin通过电子显微镜研究膜蛋白、细菌视紫红质，并由此揭示出膜蛋白具有良好的机构，可以发生α-螺旋。近年来，亨德森将注意力集中在单粒子电子显微镜上，即用冷冻电镜确定蛋白质的原子分辨率模型。

雅克·迪波什（Jacques Dubochet）

Jacques Dubochet, 1942年生于瑞士，1973年博士毕业于日内瓦大学和瑞士巴塞尔大学，瑞士洛桑大学生物物理学荣誉教授。Dubochet 博士领导的小组开发出真正成熟可用的快速投入冷冻制样技术制作不形成冰晶体的玻璃态冰包埋样品，随着冷台技术的开发，冷冻电镜技术正式推广开来。

事实上，早在2015年《自然》杂志旗下子刊Nature Methods将冷冻电镜技术（cryo-EM）评为年度最受关注的技术，我们邀请了剑桥大学MRC分子生物学实验室博士后张凯系统介绍冷冻电镜发展，同时也对在这一领域做得非常出色的华人科学家程亦凡教授进行了专访。

此次冷冻电镜技术获得诺贝尔化学奖实至名归。如下为北京生命科学研究所研究员何万中的点评。

冷冻电镜技术为何摘得2017年的诺贝尔化学奖

撰文 | 何万中（北京生命科学研究所研究员）

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2013年，冷冻电镜技术的突破给结构生物学领域带来了一场完美的风暴，迅速席卷了结构生物学领域，传统X射线、传统晶体学长期无法解决的许多重要大型复合体及膜蛋白的原子分辨率结构，一个个被迅速解决，纷纷强势占领顶级期刊和各大媒体版面，比如程亦凡博士、施一公博士、杨茂君博士、柳正峰博士所解析的原子分辨率重要复合体结构，震惊世界。

这场冷冻电镜革命的特点是：不需要结晶且需要样品量极少，即可迅速解析大型蛋白复合体原子分辨率三维结构。这场电子显微学分辨率革命的突破有两个关键技术：直接电子相机（其中算法方面程亦凡博士和李雪明博士有重要贡献）和三维重构软件。

引领这些技术突破的背后离不开三位冷冻电镜领域的开拓者：理查德·亨德森（Richard Henderson）、约阿希姆·弗兰克（Joachim Frank）和 Jacques Dubochet分别在基本理论、重构算法和实验方面的早期重要贡献。

我本人与这三位科学家都有曾过面对面的交流，也是读他们的文章进入这个领域的，下面简要谈谈他们的贡献。

电子显微镜于1931年发明，但在生物学领域的应用滞后于材料科学，原因在于生物样品含水分才会稳定，而电子显微镜必须在高真空下才能工作，因此如何制作高分辨率生物电镜样品是个技术瓶颈。传统的重金属负染技术，可以让重金属包被蛋白表面，然后脱水干燥制作适合真空成像的样品，但这会导致样品分辨率降低（至多保存1.5纳米）。

1968年，英国剑桥大学MRC实验室的Klug博士和他的学生DeRosier开创了基于负染的噬菌体病毒的电镜三维重构技术（Klug 博士获1982年诺贝尔化学奖）。但如何保持生物样品原子分辨率结构又适合电镜成像呢？加州大学伯克利分校的Robert Glaeser博士和他学生Ken Taylor 于1974年首次提出并测试了冷冻含水生物样品的电镜成像，可以有效降低辐照损伤对高分辨率结构破坏和维持高真空，实现高分辨率成像的新思路，这就是冷冻电镜（CryoEM）的雏形。

► 冷冻电镜样品制作流程，图片来自creative-biostructure.com

1982年，Dubochet 博士领导的小组开发出真正成熟可用的快速投入冷冻制样技术制作不形成冰晶体的玻璃态冰包埋样品，随着冷台技术的开发，冷冻电镜技术正式推广开来。

在Klug博士提出的三维重构技术基础上，MRC实验室的Richard Henderson博士（物理学及X射线晶体学背景）跟同事Unwin 博士1975年开创了二维电子晶体学三维重构技术，随后应用该技术技术解析了第一个膜蛋白细菌视觉紫红质蛋白的三维结构，1990达到3.5埃，这是一个非常了不起的工作，但是第一个类似的膜蛋白结构的诺贝尔奖还是被X射线晶体学家米歇尔于1988年夺走了。二维晶体最大问题在于很难长出二维晶体，因而应用范围很窄，且容易被X射线晶体学家抢了饭碗（本人刚入行第一个薄三维晶体项目就被抢了）。

上世纪90年代，Henderson博士转向了刚兴起的另一项CryoEM三维重构技术，即Joachim Frank 博士发展的单颗粒分析重构技术，无需结晶就可以对一系列蛋白或复合体颗粒直接成像，对位平均分类，然后三维重构。Henderson 博士凭借他深厚的物理学及电子显微学功底，以及非凡的洞察力，提出实现原子分辨率CryoEM技术的可行性，在理论上做了一系列超前的预见，比如电子束引起的样品漂移必须解决才能实现原子分辨率，为后期直接电子相机的突破指明了方向，他本人也投身于直接电子相机的开发。

因此，在这场电镜分辨率的革命中，Henderson博士是个不折不扣的发起者。另外，三维重构新算法的突破也有Henderson 博士的独具慧眼有关，Sjors Scheres博士在没有很强论文情况下被他看中招募到MRC后因为开发经典的Relion 三维重构算法大放异彩。

Frank 师从德国著名的电子显微学家Hoppe博士，Hoppe学派主张对任意形状样品直接三维重构，后来的电子断层三维重构及cryoEM三维重构技术都与他的早期思想有关。Frank博士提出基于各个分散的全同颗粒（蛋白）的二维投影照片，经过分类对位平均，然后三维重构获得蛋白的三维结构，发展了一系列算法并编写软件（SPIDER）实现无需结晶的蛋白质三维结构解析技术。尤其在核糖体三维重构方面有一系列的重要开创性工作，可惜当年核糖体结构诺贝尔奖没有给他。现在给他在cryoEM单颗粒三维重构的一个诺贝尔奖，实至名归。

2017年诺贝尔化学奖得主的成就，说白了就是他们发明了一种可以给蛋白质拍照的电子显微镜。

我们知道，电子显微镜依靠电子去打样品，然后来成像的。电子显微镜与光学显微镜的区别是什么？那就是电子的波长非常短，而光的波长很长，所以光看不了蛋白质，蛋白质分子与光的波长差不多大，光容易绕过去。而电子的波长很短，打在蛋白质上就可以反射回来成像。

问题的关键在于，电子打在蛋白质上一来容易把蛋白质打坏了，二来是因为蛋白质分子是运动的，蛋白质有活性，它一动起来，电子打上去反射回来的方向就不受控制了，看起来就是模糊的。——这就好像我们用普通傻瓜相机拍篮球比赛的扣篮动作，拍出来的照片是虚的——原因很简单，因为扣篮的时候，人是在运动的。

那么有什么办法？

一个办法是把蛋白质固定住，不让它运动。我们知道，蛋白质一定是在水溶液中才有活性，所以，我们把水冻住，蛋白质也就冻住了。

这个就是冷冻电镜的来历。

当然了，因为蛋白质的结构还是很复杂的，你拍照出来以后，如何解析这个照片需要电脑的软件来处理，这里就设计到了算法。对于这个算法，我们中国科学院物理研究所毕业的博士程亦凡也有很大的贡献。但可惜他没有得奖。毕竟，这一次颁奖只能奖励三个人，所以程亦凡还是缺了一点火候。

做科学仪器得化学奖是很正常的，比如做质谱仪的田中耕一也得过。