冷凍電鏡是個啥，有多牛？
2017年諾貝爾化學獎頒給了發明冷凍電鏡的三位學者。
他們是：
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雅克·迪波什（Jacques Dubochet）。
冷凍電鏡是個啥？
冷凍電鏡它首先是一個電鏡。
而電鏡是電子顯微鏡的縮寫。所謂電子顯微鏡，又是在光學顯微鏡的基礎上發展出來的。
光學顯微鏡利用可見光作為探針來觀測微觀物體，比如光學顯微鏡可以觀察細胞。但是，對於細胞內的蛋白質分子，光學顯微鏡就看不見它了。
為什麼呢？
原因其實很簡單，光學顯微鏡利用的是光子的波動性，而光子的波長大概在500納米左右。 蛋白質分子大小在1-100nm之間，所以光子的波長比蛋白質分子還要大，因此光照在蛋白質分子上就好像一隻鴨子要去「踩死」一隻螞蟻，這肯定是「踩」不住的。光波能繞過蛋白質分子，也就看不到蛋白質了。
為了「踩」住一個螞蟻，必須有一根比螞蟻還小的針，在螞蟻背上插下去。這就是電子顯微鏡的來源。
電子的波長是光子波長的十萬分之一左右，是一根極細的探針，理論上它打在蛋白質分子這類生物大分子身上能被反射，這些反射的電子就能產生一張照片，這就是電子顯微鏡的基本原理。
Titan Krios 電子顯微鏡
圖自網路
然而，電子顯微鏡也只是在理論上可以看到蛋白質分子。
因為電子顯微鏡一般只能用來觀測一些無機樣品，比如它可以看石墨的表面，也可以看陶瓷的表面。但一旦讓電子顯微鏡的電子去轟擊蛋白質分子這類生物大分子的時候，問題就出來了。
第一個問題是真空問題，電子顯微鏡的電子只能在真空中飛行的時候才能保持穩定的動能。而蛋白質這類生物大分子一般處於溶液中，在真空環境下，溶液會揮發出來，污染電子顯微鏡。
第二個問題是電子打在蛋白質這類生物大分子上容易把蛋白質打壞了，因為電子的能量比較高，而生物大分子一般依靠氫鍵來形成它的空間結構，氫鍵的能量很低，電子打上去以後，氫鍵就被打斷了。
第三個問題則更加嚴重，因為蛋白質分子這類生物大分子是有活性的，它們是運動的，電子打上去反射回來的方向會因為分子的運動而變得雜亂無章。這就好像我們用普通傻瓜相機拍攝賽車比賽，拍出來的照片全是虛的——原因很簡單：賽車是在運動的。
基於以上三個原因，所以傳統的電子顯微鏡是看不了蛋白質分子有活性的生物大分子的。
為了解決這個困難，冷凍電鏡技術應運而生。
如何冷凍？
為了觀測蛋白質分子這類生物大分子的空間結構，研究空間結構與生物大分子的功能之間的聯繫，科學家們需要在真空環境下把蛋白質分子固定住。
在這個指導思想下，科學家想到了冷凍的方法。
他們用液態的乙烷等快速冷凍含有水分的生物樣品，這樣就可以製備出很薄的水膜（生物大分子就冷凍在這個水膜里）。冷凍完成以後，就可以用電鏡來觀測蛋白質等生物大分子的空間結構了。
以上主要說了冷凍電鏡的硬體原理。當然，為了正在解析出拍攝到的很多二維照片與生物大分子的三維空間結構之間的關係，還需要一套很好的計算機軟體演算法。
冷凍電鏡主要是促進了結構生物學的蓬勃發展。所以，這一次諾貝爾化學獎又成了名副其實的「理科綜合獎」，因為它獎勵給了物理學家，而被用到了生物學研究領域。
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