2017諾貝爾化學獎揭曉，表彰給生物化學帶來革命性變化的冷凍電鏡技術
2017年諾貝爾化學獎授予雅克·杜波切特(Jacques Dubochet)，喬基姆·弗蘭克(Joachim Frank)和理查德·亨德森(Richard Henderson)，以表彰他們研發出能對生命分子進行三維成像的冷凍電子顯微鏡技術。
從左至右依次為：雅克·杜波切特、喬基姆·弗蘭克和理查德·亨德森。
研究人員利用這一最新技術，可以將變化中的生物分子冷凍起來進行原子級別解析度成像，研究前所未見的變化過程，從而對認識生命化學的分子機制和藥物研發產生了決定性影響。
在過去的幾年裡，研究人員發布了大量複雜蛋白質複合物的原子結構。a為一個控制晝夜節律的蛋白質；b為耳內的一個感受壓力變化的感測器，讓我們能聽到聲音；c為Zika病毒。
過去幾年來，揭示生命物質的分子機理的高分辨結構的研究成果層出不窮，沙門氏菌如何攻擊細胞的注射針；對化療藥物和抗生素產生抗藥性的蛋白質結構；通知晝夜節律的分子複合物；光合作用的光捕獲反應複合物，等等。這些重要發現只是利用冷凍電鏡技術進行生命分子成像的數百種研究中的幾個代表而已，推動生物化學進入一個全新時代。
成像——認識生命物質的重要方式
20世紀上半年，蛋白質、DNA、RNA等生命分子是生物化學領域的一片空白地，科學家們知道它們的重要性，對它們卻一無所知。
直到上世紀50年代，利用X射線成像技術，人們才首次得以拍出蛋白質晶體的螺旋狀結構圖片。
上世紀80年代初，核磁共振成像技術問世，人們得以對溶液中和固態的蛋白質進行成像研究，不僅進一步認識了蛋白質的結構，更獲得了蛋白質如何運動及與其他分子相互作用的基本了解。
這些分子成像技術雖然為生物分子研究帶來了重大突破，但由於需要對分子進行結晶，使得圖像解析度難以提升，更是無法獲得蛋白質結構的動態變化，理查德·亨德森因此放棄X射線結晶技術，轉向電子顯微鏡技術，這也是今年諾貝爾化學獎的故事開篇。
生物化學面臨爆炸性的發展
長久以來，人們認為電子顯微鏡內的強大電子束會破壞生命物質，因此只能對死亡物質進行成像。
科研人員從原子級別發現細胞核糖體的結構。
但是1990年，理查德·亨德森成功地利用電子顯微鏡在原子解析度上生成了一個蛋白質的三維圖像，證明了該技術的潛力。
喬基姆·弗蘭克在1975年到1986年之間開發了一種圖像處理方法，使得電子顯微鏡在清晰地顯示生物大分子的三維結構方面，成為一項普遍適用的技術。
但給具有生命活性的分子成像，樣品里必須具有水分，之前的電子顯微鏡技術不能做到。
20世紀80年代早期，雅克·杜波切特向電子顯微鏡添加了水，並成功地將水迅速冷卻，使樣本中的生物分子在真空中保留了自然形狀。
基於三位科學家的這些重大發現，電子顯微鏡自此得到全面優化，並在2013年達到了原子解析度級別。
研究人員利用這一最新技術，可以將變化中的生物分子冷凍起來研究前所未見的變化過程，從而對認識生命化學的分子機制和藥物研發產生決定性影響。
比如，當研究人員開始懷疑寨卡病毒引起了新生兒大腦損傷的疫情後，他們藉助冷凍電鏡技術對病毒進行了可視化研究，僅用幾個月的時間，就獲得病毒的原子級解析度三維圖像，為研發出潛在藥物節約了大量時間。
幾年來，從導致抗生素耐藥性的蛋白質到寨卡病毒的表面蛋白，科學文獻中充滿著這些關鍵蛋白三維結構圖的報道，生物化學面臨著爆炸性的發展，也預示著更加激動人心的未來。
註：文中圖片除註明外均來自網路
編輯：左常睿
審核：管晶晶
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