最新出爐：2017年諾貝爾化學獎揭曉！
北京時間10月4日17時45分左右，2017年諾貝爾化學獎正式揭曉！2017諾貝爾化學獎被授予瑞士洛桑大學的Jacques Dubochet、美國哥倫比亞大學的Joachim Frank和英國劍橋大學的Richard Henderson，三者將均分900萬瑞士克朗的獎金。他們的獲獎理由是「研發冷凍電子顯微鏡，用於測定溶液中生物大分子高解析度結構」。
Jacques Dubochet, born 1942 in Aigle, Switzerland. Ph.D. 1973, University of Geneva and University of Basel, Switzerland. Honorary Professor of Biophysics, University of Lausanne, Switzerland.
Joachim Frank, born 1940 in Siegen, Germany. Ph.D. 1970, Technical University of Munich, Germany. Professor of Biochemistry and Molecular Biophysics and of Biological Sciences, Columbia University, New York, USA
Richard Henderson, born 1945 in Edinburgh, Scotland. Ph.D. 1969, Cambridge University, UK. Programme Leader, MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, UK.
什麼是冷凍電鏡技術？
20世紀80年代，Dubochet等人報道了一種單粒子電子顯微鏡技術革新成果，將該技術引向了高解析度成像之路。他們在低溫條件(cryogenic conditions)下將待檢樣品放在一層薄薄的、透明的冰上用單粒子電子顯微鏡進行成像觀察。這種方法就是所謂的「低溫冷凍電鏡技術(cryo–electron microscopy, cryo-EM)」，他能夠對含水的粒子(hydrated particles)進行直接成像。低溫除了具有這些優勢之外，還能夠減少電子束對樣品產生的放射性損害。不過電子束的照射量還是不能夠太大，只有這樣才能夠清晰地反映出分子結構的細節，獲得高質量的、低信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)的三維結構圖像。由於將每個分子的多張圖像信息組合在一起能夠更進一步地降低圖像的信噪比，所以，對數萬、乃至數百萬個蛋白質複合體進行分析就會產生數十萬張圖像。
不過依靠低溫冷凍電鏡圖像來判斷生物大分子的結構給計算機處理分析工作帶來了一大挑戰。在藉助多圖像組合平均手段來改善信噪比時，必須知道每一顆粒子的方向，但是由於信噪比太低，我們對這些粒子方向的判斷又明顯感覺準確性不夠，這就形成了一個矛盾。要解決這個問題，最成功的方法就是「重複(iterative)」，質量高的圖像能夠給出更準確的方向信息，而這些方向信息又可以幫助我們獲得更高質量的圖像。
在過去的三十年，低溫冷凍電鏡設備取得了長足的進展，在樣品製備、成像、計算機處理等實驗技術方面有了一定的提升，這些使低溫冷凍電鏡成像技術的解析度有了極大的提高。高度連貫的場發射電子槍(Highly coherent feld-emission electron guns)也使保留焦點以外的圖像的高解析度信息成為可能，這對於單粒子低溫冷凍電鏡非常有幫助。這種技術創新幫助科研人員獲得了20面體病毒粒子(icosahedral virus particles)的圖像，而且清楚地看到了其中的α螺旋結構。由於這種病毒是高度對稱的，所以比較容易生成高質量的、最佳解析度的低溫冷凍電鏡圖像。
隨著研究人員不斷地開發出更穩定的載物台、更好的顯微鏡抽真空技術，以及自動化的數據採集系統，這一切的技術進步都讓我們能夠獲得更多、質量更好的電鏡圖像，因此才能夠得到高質量的、能夠對其中的氨基酸側鏈進行解析的二十面體病毒粒子三維結構圖像，以及解析度達到5埃的核糖體結構圖像。不過在對更小一點的非對稱粒子的解析工作中還是很難解析到α螺旋結構。
最近在低溫冷凍電鏡設備領域取得的最大進展就是引入了直接檢測設備(direct detector device, DDD)照相機。這種DDD設備能夠直接在感測器上記錄圖像，從而繞過了傳統的、需要閃爍設備和光纖的電荷耦合裝置(charge-coupled device, CCD)探測器，以及其他一些在用攝影膠片(photographic film)記錄圖像時必須要經過的繁雜的處理過程。因此，圖像的信噪比也得到了極大的提升。在解析度方面的提升也與之前的一些革新手段相當。在使用了DDD設備之後，還有可能在電鏡圖像中直接構建原子模型，甚至能夠在最具挑戰性的檢測工作中進行α螺旋和β摺疊的解析工作。
DDD設備的引入還在另外一個方面對低溫冷凍電鏡的圖像起到了改善作用，憑藉的就是該設備極快的讀出速度(readout rate)，該讀出速度能夠發現被冰包裹的被觀測粒子在電子束中的運動情況。使用DDD設備不僅能夠發現這種問題，還能夠解決這種問題，因為現在的電鏡就好像是一台攝像機，可以拍攝一段錄影，記錄整個過程，而不再像以前那樣，只是一台照相機，只能夠拍攝出一張張固定的圖像。
有了高質量的圖像，又有可以藉助計算機對因為電子束而移位的粒子進行矯正的工具，我們就可以獲得大量高質量的低溫冷凍電鏡圖像，比如本文開頭展示的那張解析度高達3.2埃的線粒體核糖體亞單點陣圖像，以及下圖那張解析度達到3.3埃的20S蛋白酶體圖像和哺乳動物感受器通道TRPV1的圖像。 TRPV1的圖像尤其值得一提，因為TRPV1蛋白是一種膜蛋白，只有四級對稱性(four-fold symmetry)，比核糖體要小一個數量級。所以之前大家一直都認為很難用低溫冷凍電鏡對該蛋白進行結構解析的研究工作。有了 DDD成像技術、更好的計算機輔助和生物化學技術之後，Liao等人終於在某些區域獲得了解析度高達3.4埃的圖像，從而有機會開展原子建模工作，在整個結構生物學(structural biology)發展歷史上寫下了重重的一筆。
（消息來源：諾貝爾獎官網、科學網）
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