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解讀2017年諾貝爾化學獎

問:2017年諾貝爾化學獎於10月4日揭曉,Jacques Dubochet,Joachim Frank和Richard Henderson這三位科學家因在開發用於獲取溶液中生物分子高解析度圖像的冷凍電子顯微鏡技術而獲獎。請問,什麼是冷凍電子顯微鏡技術,開發這種技術有什麼重要性?

答:冷凍電子顯微鏡(cryo EM)指的是在低溫下製備樣品並進行觀察的透射電子顯微鏡技術。這種技術之所以重要,是因為它能夠幫助我們更方便地研究生物分子的結構,而這對於認識生命現象、開發新的藥物等方面的意義都是不言而喻的。

問:那麼在冷凍電子顯微鏡誕生之前,我們有什麼方法研究生物的結構,它們有什麼局限嗎?

答:首先,光學顯微鏡是我們觀察生物體的重要手段,但光學顯微鏡的解析度的極限僅僅為可見光波長的一半,即200納米左右。生物體的許多結構都小於這個尺度,例如很多病毒的直徑都只有幾十納米,因此無法用光學顯微鏡觀察。而要想進一步了解生物分子的結構,弄清楚分子中原子之間的排布方式,我們需要觀察的尺度小於1納米,光學顯微鏡顯然更是無能為力。

幸運的是,我們有一個好的幫手,那就是比可見光波長更短的電磁波,例如X射線。X射線的波長在0.01-10納米這個範圍,與晶體中原子之間的距離相當,因此當它穿過晶體時會發生散射。而晶體中的原子呈現周期性的排列,這會導致被散射的X射線發生干涉,從而形成特定的圖案。根據這些圖案,我們就可以推算出晶體的結構,這就是X射線衍射的基本原理。利用X射線衍射,我們不僅可以測定小分子化合物的晶體結構,還可以了解蛋白質等生物大分子的晶體結構。著名的DNA雙螺旋結構就是通過X射線衍射確定下來的。因此,X射線衍射成為了測定生物大分子晶體結構的「金標準」。

然而X射線衍射的局限也相當明顯。首先,樣品必須能夠形成晶體,其結構才能被測定,然而不少生物大分子很難形成晶體。其次,X射線衍射要想得到滿意的結構,通常需要足夠量的樣品,這對於不少生物大分子來說也是很難辦到的。因此,不少研究人員嘗試利用電子顯微鏡來代替X射線衍射。

電子顯微鏡的基本原理是電子具有波粒二象性,且運動速度越快,波長越短。因此,如果讓高速運動的電子穿過樣品,通過觀察樣品不同區域對電子吸收的不同來確定樣品結構,我們可以輕而易舉地突破光學顯微鏡的解析度限制。通常所說的透射電子顯微鏡就是基於這一原理。理論上,透射電子顯微鏡可以達到原子尺度的高解析度,且樣品不需要結晶就可以觀察。但對於生物樣品來說,做到這一點非常困難。

問:那麼用透射電子顯微鏡來觀察生物樣品存在哪些問題呢?

答:首先,高速運動的電子束很容易破壞生物樣品的化學結構,導致我們無法準確觀察樣品的結構。為了減少電子對生物樣品的破壞,我們可以降低照射到樣品上的電子束的強度,但這樣一來得到的圖像的信噪比就會顯著下降。為了提高成像質量,在觀察生物樣品時,我們常常向樣品中人為添加一些化學物質,增強樣品不同區域的反差,同時降低電子對樣品的破壞。即通常所說的染色。染色能夠幫助我們更好地觀察生物體的結構,但這一方法對於原子尺度的結構信息無能為力。這是因為用於染色的物質常常以微粒的形式進入樣品,這些微粒的尺寸遠遠超過原子間的距離,因此遮蓋了樣品中更加細微的結構。如何在無需染色的情況下獲取生物樣品的高解析度圖像顯然是科學家們要解決的一大難題。

另外,用透射電子顯微鏡觀察樣品時,樣品通常需要置於高真空的環境中,否則空氣中的氣體分子與電子的相互作用會干擾成像。這對於觀察生物樣品也是一大挑戰,因為生物分子通常要在水溶液中才能正常發揮作用。在通過透射電子顯微鏡觀察生物樣品的過程中,隨著水分的揮發,生物體的結構往往會發生變化。因此,即便我們能得到高質量的圖像,從中獲得的信息往往也並不能反映真實的生理過程。

正是因為這些局限,很長一段時間以來,透射電子顯微鏡被認為只能觀察死的生物體,且解析度有限。幸運的是,在包括今諾貝爾化學獎三位得主在內的一大批研究人員的不懈努力下,用透射電子顯微鏡獲取生物分子的高解析度圖像這一夢想正在成為現實,這就是如今我們看到的冷凍電子顯微鏡技術。

問:那麼獲得今年諾貝爾化學獎得主的三位科學家為冷凍電子顯微鏡的發展做出了哪些貢獻呢?

答:研究人員很早就意識到,如果將生物樣品置於極低的溫度下用透射電子顯微鏡進行觀察,不僅電子束對樣品的損害大為降低,而且由於在低溫下水凍結成冰,在真空下揮發速度減緩,這樣一來,我們觀察到的圖像就更加接近樣品真實的環境。但隨之而來的一個問題是,那就是水的晶體會干擾入射的電子束,使得得到的電子顯微鏡圖像不能反映樣品的真實結構。

在上世紀80年代,Jacques Dubochet找到了解決這個問題的辦法,那就是將水快速降至極低的溫度,結果水分子來不及形成晶體。這樣的結構與玻璃有著相似之處,因此,也被稱為「玻璃態水」(vitrifiedwater)或者「無定形冰」(amorphousice).這一技術的發明解決了水的結晶對於透射電子顯微鏡成像的干擾,從而為獲取生物樣品的高解析度圖像奠定了基礎。

但有了合適的低溫樣品製備技術還不夠,因為我們通過透射電子顯微鏡得到的只是樣品的二維圖像,且信噪比可能仍然不夠理想。為了解決這一問題,Richard Henderson選擇了一種結構特殊的蛋白質為研究對象,通過從不同角度獲取蛋白質的圖像並加以後處理,Henderson在1990年首次利用冷凍電子顯微鏡獲得了解析度與X射線晶體相當的蛋白質三維圖像,從而證明了這一技術的潛力。而JoachimFrank則開發出一種圖像處理方法,能夠將低解析度的二維電子顯微鏡圖片轉化為解析度更高的圖像,再根據二維圖像生成樣品的三維圖像。

在包括三位新科諾獎得主在內的科研人員的不懈努力下,冷凍電子顯微鏡技術有了極大的發展,已經成為可以媲美X射線衍射的研究生物分子結構的重要手段。相信在未來,這一技術會幫助我們更好地認識生命的奧秘。

主要參考資料:

Xiao-chen Bai, Greg McMullan, Sjors H.WScheres, 「How cryo-EM is revolutionizing structural biology」, Trends inBiomedical Sciences, 2015, 40, 49

Eva Nogales, Sjors H.W. Scheres, 「Cryo-EM:A Unique Tool for the Visualization of Macromolecular Complexity」, MolecularCell, 2015, 58, 677

"The Nobel Prize in Physics 2017 -Popular Information: They captured life in atomic detail". https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/popular.html

"The Nobel Prize in Physics 2017 -Scientific Background: The development of cryo-electron microscopy「,https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/advanced.html


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