冷凍電鏡技術獲諾貝爾化學獎 可填生物化學版圖空白

2017年諾貝爾化學獎當地時間4日上午11時45分揭曉，獲獎者既不是CRISPR的發明者，也不是鋰電池技術的發明者，而是授予三位冷凍電鏡領域學者，表彰他們對冷凍電鏡技術的發展做出突出貢獻。

發給物理學家的化學獎

這三位諾貝爾獎獲得者分別是來自美國的德裔生物物理學家、哥倫比亞大學教授約阿基姆-弗蘭克（Joachim Frank）；蘇格蘭分子生物學家和生物物理學家、英國人理查德-亨德森（Richard Henderson）以及瑞士洛桑大學生物物理學榮譽教授、瑞士人雅克-迪波什（Jacques Dubochet）。

Joachim Frank教授在獲獎後接受媒體採訪時表示：「冷凍電鏡的實際應用是巨大的，但是要從基礎研究影響到藥物，還有待時日。」他還表示，與一個特定的發現相比，技術的突破意義更加重大。目前，已經有實驗室利用冷凍電鏡將產生導致阿爾茨海默綜合症蛋白的酶解析出來，這將幫助老年痴呆症相關藥物的開發。

冷凍電鏡技術（cryo-electron microscopy）作為一項物理技術，給結構生物學領域帶來了一場完美風暴。受益於該技術，生命科學領域近年來取得了重要的突破，比如程亦凡博士、施一公博士、楊茂君博士和柳正峰博士所解析的原子解析度重要複合體結構就震驚世界。而這項技術最終被授予諾貝爾化學獎，著實讓很多科學家表示沒想到。

不過，中國科學院院士、著名結構生物學家施一公博士對第一財經記者表示：「冷凍電鏡技術獲得今年諾貝爾獎完全在意料之中，實至名歸。其中Frank教授是最應該獲得諾貝爾獎的。」

哈佛大學終身教授Gregory Verdine對第一財經記者表示：「所有重大結構確定的方法都會受到諾貝爾獎的認可。冷凍電鏡也一樣。」

早在2015年，《自然》雜誌子刊Nature Methods就將冷凍電鏡技術評為年度最受關注的技術。冷凍電鏡技術的最新革命主要有兩大核心的技術突破：電子直接探測相機以及三維重構軟體，能夠大幅提高解析大型蛋白複合體原子解析度三維結構的效率。

諾貝爾大會這樣解釋為何把化學獎授予冷凍電鏡技術：「照片對於人們的認知是至關重要的。科學的突破通常仰賴於人類眼中所看到的物體是如何被成功地呈現出來的。然而生物化學的版圖長期以來存在大片的空白，這是因為目前可用的技術對於產生生命細胞機制的圖像仍然有困難。冷凍電鏡技術的誕生改變了一切。」

藉助冷凍電鏡，研究人員能夠凍結在運動中的生物分子，並且將其運動過程視覺化呈現出來，這是人類前所未見的。這對於人類生命化學的基礎認知以及藥物的發展都起到決定性作用。

最受益的是生物學家

過去很長一段時間，電鏡被用來進行沒有生命的物質的成像，因為電鏡的光束會摧毀生命物質。不過1990年，Richard Henderson成功地使用電鏡實現了蛋白在原子解析度層面的三維成像。這展現了這一技術的巨大潛力。

不過，正如施一公所說所的，冷凍電鏡技術的廣泛使用要歸功於Joachim Frank教授。在1975年至1986年間，他發明出一套成像的方法，把原本電鏡下模糊的二維圖像變成了清晰的三維圖像，並應用該技術解析了第一個膜蛋白細菌視覺紫紅質蛋白的三維結構。

Frank教授在發布會上表示，自己從冷凍電鏡看到的最酷的分子是細胞的蛋白質「工廠」——核糖體。他還稱，冷凍電鏡能夠讓科學家探索氨基酸如何合成蛋白質的細節。

Jacques Dubochet教授在電鏡中加入了水的成分。1982年，Dubochet的團隊開發出了真正成熟可用的冷凍制樣技術，並快速投入製作不形成冰晶體的玻璃態冰包埋樣品。

瑞典皇家科學院主席Venkatraman Ramakrishnan表示：「冷凍電鏡獲獎證明了它幾十年來支持基礎研究的價值。從基礎研究開始，人們受到了巨大的啟示。當這種技術登上舞台時，它已經被葯企使用，來定型藥物的結構，而且還被用於基礎的生物學，從而改變未來的藥物。」

在中國，清華大學的實驗室里，施一公教授使用的是當時世界上最大的冷凍電鏡系統，引進這樣一套設備大約需要上千萬美元。施一公的團隊正在從分子的水平認識阿爾茨海默綜合症，希望通過基礎研究的突破為治療該病症帶來曙光。

2015年8月，施一公研究團隊在《自然》（Nature）雜誌上發表文章，報道了解析度高達3.4埃的人體γ-分泌酶的三維電鏡結構，並且基於結構分析研究了γ-分泌酶致病突變體的功能，為理解γ-分泌酶的工作機制以及阿爾茨海默症的發病機理提供了重要基礎。

3.4埃的解析度是什麼概念？施一公曾解釋道：「就是幾乎能看到原子。如果沒有冷凍電鏡平台，是不可能完成這項成果的。」早在2007年，冷凍電鏡技術還遠未成熟的時候，清華大學就選擇重點發展冷凍電鏡技術。

2013年初，冷凍電鏡技術取得突破。用施一公的話來說：「以前的照相機技術不行，照片非常模糊，有層霜。2013年，這層霜去掉了。這時候，我們的研究開始突飛猛進。」

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！