科普：「抓拍」生命分子的高清照片

新華社北京10月4日電(記者王艷紅)在生物體內,無數複雜分子不斷地運動著,形成又拆解、結合又分離,通過這些過程來實現各種生理功能。如果能任意「抓拍」高清照片、看清某個分子在特定瞬間的模樣,將使我們更深入地理解生命如何運作。

近幾年來迅速竄紅的低溫冷凍電子顯微術(Cryo—EM)就是這樣一種「抓拍」手段。2017年諾貝爾化學獎的三位獲獎者對該技術的發展作出了關鍵貢獻。

生物分子的功能很大程度上取決於它們的結構,不清楚一個分子的三維結構,就不能算是了解它。但是,用來觀測的波長決定了可觀測的尺度。可見光的波長比分子尺寸大很多,因此光學顯微鏡在這方面無用武之地,好比量腰圍的軟尺量不出頭髮絲的粗細。

過去約一百年來,對生物分子結構的研究主要依賴於X射線晶體學,即通過X射線在晶體里的衍射情況推斷原子在空間里的排列,這項技術曾揭示了DNA雙螺旋等諸多重要結構。

X射線波長較短,成像可以達到很高的解析度,但它只能分析晶體——分子必須在空間中整齊有序地排列,才能形成衍射圖樣。生物體內的很多大分子難以結晶,沒法讓它們「列隊擺拍」;還有些分子雖然能結晶,但要先改頭換面一下才行,拍不到它們的「工作照」,而科學家感興趣的正是分子在生物體內溶液中活躍運作的樣子。

於是,人們把目光轉向了另一種高精度觀察工具——電子顯微鏡。

電子顯微鏡利用原子對電子的散射來揭示物質結構,電子能量越高、速度越快,「尺子」的刻度越精細。但電子束會破壞生物細胞和分子,而生物材料在電子顯微鏡下的成像能力差,即使用最強力的電子束透射,圖像對比度也很低。這就需要在樣本製備和操作上想辦法,盡量減少電子束帶來的破壞、增強對比度。

20世紀80年代初,工作於歐洲分子生物學實驗室的雅克·杜博歇提出了「急速冷卻」方案,奠定了低溫冷凍電子顯微術樣本製備與觀察的基本技術手段。冷凍可以對樣本起到保護作用,但通常的冷凍過程中,樣本里的水會結成冰晶,可能使物質結構發生改變。更重要的是,冰晶會「喧賓奪主」,使電子發生強烈衍射,干擾觀測。杜博歇用液氮對生物大分子溶液薄膜進行瞬間冷凍,使水來不及結晶而是形成無定形的「玻璃態」,就不會產生衍射。

電子顯微鏡觀測的樣本通常是只含一層分子的薄膜,可以視為二維的。對大量散布的同一種分子拍攝二維圖像,再把這些圖像整合起來,就可以得到該分子的三維圖像。20世紀70年代,在紐約沃茲沃思研究中心工作的約阿希姆·弗蘭克開始進行這種「三維重構」的理論研究,開發出了多種數學工具和圖像處理方法。

1990年,英國劍橋分子生物學實驗室的理查德·亨德森小組報告了他們對一種色素蛋白進行的三維重構,這項成果是低溫冷凍電子顯微術的重要里程碑,證明「冷凍樣本-二維成像-三維重構」的確可以得到高解析度的三維圖像。它標誌著一種研究生物大分子結構的新方法已經成形,其思路與X射線晶體學迥異,可以給生物體內溶液中、處於工作狀態的分子「抓拍」快照。

不過此後相當長時間裡,低溫冷凍電子顯微術的精度都不太高,無法與X射線晶體學相比。這裡既有觀測手段的原因,也有計算機發展水平的限制。

近幾年來,傳統的電子顯微術照相機被可以直接檢測電子的設備取代,解決了圖像轉換導致細節丟失的問題,這個重大進展也是亨德森的貢獻。輔以新的高解析度圖像處理演算法,以及突飛猛進的計算機運算能力,低溫冷凍電子顯微術的「高清時代」終於來臨,例如2016年發布的谷氨酸脫氫酶結構,解析度達到了1.8埃(1埃等於10的負10次方米)。

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