「冷凍電鏡技術」是什麼？竟讓研究它的物理學家，摘得諾貝爾化學獎？

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本文綜合鳳凰網、網路

北京時間10月4日下午5點45分，2017 年諾貝爾化學獎（the Nobel Prize in Chemistry 2017）揭曉。

化學獎頒給 Jacques Dubochet， Joachim Frank 與 Richard Henderson，以表彰他們發展了革命性的冷凍電鏡技術，以很高的解析度確定了溶液里的生物分子的結構。

小夥伴們知道冷凍電鏡技術是什麼嗎？為什麼它能摘得今年的諾貝爾化學獎呢？快和知力君一起來了解一下。

冷凍電鏡是個什麼技術？

在低溫下使用透射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術，就叫做冷凍電子顯微鏡技術，簡稱冷凍電鏡（cryo-electron microscopy， cryo-EM）。

冷凍電鏡是重要的結構生物學研究方法，它與另外兩種技術：X射線晶體學（X-ray crystallography）和核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）一起構成了高解析度結構生物學研究的基礎，在獲得生物大分子的結構並揭示其功能方面極為重要。

冷凍電鏡技術是怎麼形成的？

冷凍電鏡並不是這兩年才建立的。在蛋白質X射線晶體學誕生大約10多年以後的1968年，作為里程碑式的電鏡三維重構方法，同樣在劍橋MRC分子生物學實驗室誕生，Aron Klug教授因此獲得了1982年的諾貝爾化學獎。另一些突破性的技術在上世紀70年代和80年代中葉誕生，主要是冷凍成像和蛋白快速冷凍技術。

快速冷凍可以使蛋白質和所在的水溶液環境迅速從溶液態轉變為玻璃態，玻璃態能使蛋白質結構保持其天然結構狀態，如果以緩慢溫和的方式冷凍，這個過程會形成晶體冰，生物分子的結構將被晶格力徹底損壞。

低劑量冷凍成像能夠保存樣品的高解析度結構信息，確保了從電鏡圖形中解析蛋白質結構的可能性。與此同時，2017諾貝爾化學獎得主Joachim Frank等，則在電鏡圖像處理演算法方面奠定和發展了這項技術的理論基礎。由此冷凍電鏡的雛形基本建立，總的思路為：樣品冷凍（保持蛋白溶液態結構）——冷凍成像（獲取二維投影圖像）——三維重構（從二維圖像通過計算得到三維密度圖）。