2017年諾貝爾化學獎：冷凍電鏡——又雙叒頒給了非化學領域的科學家！
2017年諾貝爾化學獎授予瑞士科學家雅克·杜博歇、美國科學家約阿希姆·弗蘭克以及英國科學家理查德·亨德森，以表彰他們在冷凍電鏡技術發展中的開拓性貢獻。
普通人聽到冷凍電鏡技術是雲里霧裡，我們先來科普一下這項技術。
放大物體我們最熟悉的是放大鏡。
然後我們知道顯微鏡可以更有效的地放大物體，它是由一個透鏡或幾個透鏡的組合構成的一種光學儀器。主要用於放大微小物體成為人的肉眼所能看到的儀器。
最早的顯微鏡是16世紀末期在荷蘭製造出來的。發明者可能是一個叫做札恰里亞斯·詹森的荷蘭眼鏡商，他用兩片透鏡製作了簡易的顯微鏡。根據文獻記載，第一個使用顯微鏡的是義大利科學家伽利略。他通過顯微鏡觀察到一種昆蟲後，第一次對它的複眼進行了描述。第二個使用顯微鏡的是列文虎克，他第一次描述了許多肉眼所看不見的微小植物和動物。
列文虎克用過的顯微鏡
和普通的顯微鏡不同的是電子顯微鏡是根據電子光學原理，用電子束和電子透鏡代替光束和光學透鏡，使物質的細微結構在非常高的放大倍數下成像的儀器。通俗說，就是比普通的顯微鏡放大倍率高得多，看得更加清楚。1931年4月7日，恩斯特·魯斯卡和馬克斯·克諾爾成功用磁性鏡頭製成第一台二級電子光學放大鏡，實現了電子顯微鏡的技術原理，基於磁場會因電子帶電而偏移的現象，使得通過鏡頭的電子射線能夠像光線一樣被聚焦，當時被稱為「超顯微鏡」。 產學研結合是魯斯卡的強項，後來他又與工程師博多·馮·博里斯一起完善了他的電子顯微鏡發明，1938年至1939年起投入批量生產。
發明電子顯微鏡後的55年後，他與掃描隧道顯微鏡的發明者格爾德·賓寧和海因里希·羅雷爾一同獲得了諾貝爾物理學獎，那年是1986年，魯斯卡已經80歲了。
加上一個冷凍，所謂冷凍電鏡就是超低溫下的電子顯微鏡。那麼普通的電子顯微鏡用的好好的，幹嘛要用超低溫電子顯微鏡呢？因為普通的電子顯微鏡只能看到靜止的無機物，通過它們是看不到活動著的生物大分子的！具體原因是因為電子的特性，我們就不展開了。
科學家們就想到了冷凍方法，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。
雅克·杜博歇是瑞士生物物理學榮譽教授。20世紀80年代初，雅克·杜博歇領導的研究小組成功開發出了快速冷凍製作生物樣品的方法，可使樣品中的水分呈現玻璃態而不是結成冰晶，從而使生物樣品能夠在真空條件下保持自然狀態不變，科學家們不再擔心生物樣本結構被破壞了，這項技術為電鏡在生物學上的應用打開了大門。
約阿希姆·弗蘭克，現為美國哥倫比亞大學生物化學、分子生物物理學和生物科學教授，並於2007成為美國國家科學院院士。他曾在1975年到1986年間改進了電鏡的圖像處理方式，使原來看起來模糊的二維電鏡圖像轉變為可供研究分析的清晰三維立體結構，科學家們可以更好地觀察生物樣品，二維到三維是質的飛躍。
而理查德·亨德森目前為劍橋大學MRC分子生物學實驗室的主任。他於1990年成功獲得了原子尺度上的蛋白質三維結構，並提出了實現原子級解析度冷凍電鏡技術的可行性理論，使得我們看到的生物尺度更小，更清晰。
當大家都在預測自己所在的學科，究竟是什麼研究成果能拿諾貝爾獎的時候，有這麼一群人對此異常淡定，那就是我們這些化學狗。
一般我們會關注下究竟有哪些生物領域、物理領域的成果，能拿化學獎。
2016年分子機器爆冷（相信我，我們根本沒想到有生之年能看到化學家拿化學獎）獲得諾貝爾化學獎之後，足夠好（Goodenough）教授的鋰電池再次與2017年諾貝爾化學獎擦肩而過，諾貝爾化學獎也重歸正常，遵循了「能不給化學家就不給」的傳統，頒發給了頭銜跟化學毫無關係的三位生物物理學家。
2017年的諾貝爾化學獎得主分別是：生物物理學教授A，生物物理學教授B，生物物理學教授C。
好吧，說正經的，三位獲獎大佬分別是：
理查德·亨德森（Richard Henderson），劍橋MRC分子生物實驗室生物物理學教授，生於1945年，於38歲當選英國皇家學會院士。
在使用電子顯微鏡測定生物大分子結構的時候，為了清晰的圖像必須保證一定的電子束強度，然而生物樣品對強電子束的耐受能力極低，除非犧牲圖像精度，否則很難獲得高質量的生物分子結構圖像。
此外，基於電子顯微鏡的工作原理，為了避免空氣粒子對噴射電子束的干擾，樣品需要放置於真空中觀察，這將導致生物分子失水乾燥，失去本身的結構，得到無用的圖像。這一系列原因導致在二十世紀三十年代左右，科學家們認為電子顯微鏡只適用於非生物樣品的研究，解析生物分子結構更是天方夜譚。
然而，理查德·亨德森選擇的特殊蛋白質——細菌視紫紅質拯救了這個課題，並成為諾獎故事的開端。
亨德森通過利用葡萄糖溶液保護細菌視紫紅質，同時調低轟擊到樣品表面的電子束強度。此外，他將這種蛋白質連同其所在的細菌細胞膜一起進行觀察，這樣蛋白質在生物體結構中原本的構造和形態就能得以保全。更妙的是，他意識到細胞膜表面大量的同類蛋白質，實際上和晶體中的原子排列一樣，都有著嚴整的空間排布。
當所有蛋白質被電子束以幾乎相同的入射角度衍射時，就可以得到清晰的衍射花樣。安德森用X射線衍射圖像處理類似的方法通過計算衍射圖像來得到更加精確的空間結構。就這樣，亨德森於1975年得到了細菌視紫紅質較為粗糙的3D模型，解析度已經達到了0.7納米，在當時可以說是驚為天人了。
人類第一張電子顯微鏡下細菌視紫紅質的3D模型
然而亨德森的野心不止於此，他的目標是至少達到和X射線晶體學成像類似的分辨精度，也就是0.3納米左右。他相信，總有一天電子顯微鏡可以達到X射線結晶衍射級別的精度，成為主流。
經過十五年的努力，1990年，亨德森終於拿到了細菌視紫紅質更為精確的結構解析圖。
亨德森在1990年發表的細菌視紫紅質結構圖 精度與x射線相同均為0.3納米
約阿西姆·弗蘭克（Joachim Frank），德裔生物物理學家，現為哥倫比亞大學教授。他改進了冷凍電鏡的分析手段。
1975年，約阿西姆·弗蘭克萌生了將不同角度拍攝的樣品通過整合變成高解析度三維模型的想法。而想法畢竟是想法（大坑），為了完成這個課題，弗蘭克（和他手下）耗費了十多年之久。
弗蘭克首先讓隨機分布的蛋白質被電子束衝擊，這樣就會得到各種各樣的軌跡。我們可以理解為，同一個人在太陽底下做不同的姿勢，照出來的影子是不同的。
1981年，弗蘭克終於完成了一種演算法，利用計算機識別圖像把相同蛋白質的不同影子收集起來，並且將輪廓相似的圖像進行分類對比。接下來，通過分析不同的重複模式將圖片擬合成更加清晰的2D圖像。
最後，在此基礎上，通過數學方法，在同一種蛋白質的不同2D圖像之間建立聯繫，以此為基礎擬合出3D結構圖像。
弗蘭克的圖形擬合程序是冷凍電鏡發展的基礎。
雅克·杜波什（Jacques Dubochet），瑞士人，瑞士洛桑大學生物物理學名譽教授，他開發了成熟的、可用於水溶性生物分子（biomolecule）的冷凍電鏡制樣技術。
前文提到，1975年，亨德森通過利用葡萄糖溶液保護細菌視紫紅質不被脫水破壞得到了人類史上第一張生物分子結構的3D電子顯微鏡圖像。
然而，該法並不適用於絕大多數生物分子，當時亨德森所用的較低電子束強度也難以實現高解析度的成像。這就好比黑夜中想要看清目標應該用強光手電筒一樣，如何能在不破壞生物結構的前提下製備出能夠經受得住高強度電子轟擊的樣品，一度困擾著生物電鏡領域。
有些研究者想到了冰，因為冰相對於水來說揮發速度更慢。他們嘗試著將樣品凍住之後進行測量。新的問題出現了，冰作為結晶，同樣也在電子束下發生衍射，這樣得到的圖像是無法準確描繪出分子結構的，只能作廢。
1978年，杜波什加入了位於海德堡的歐洲分子生物研究所，開始著手解決這個問題。
在真空條件下，水分的蒸發是一個主要問題，而冰雖然是固體，卻是結晶，干擾結果。杜波什從中想到了一條潛在的解決方案:讓水在變成晶體之前凝固！
一般情況下，通過氫鍵的相互作用，水分子會在凝固過程中形成有序排列，最後形成晶體。而杜波什顯然不是一般人，他想到了在水分子相互作用發生之前，就讓水凝固，形成一種「玻璃」。這樣得到的「玻璃水」，雖然是固體，但卻不存在晶格，不會生成規律的衍射花樣，就不會對最後得到的數據造成影響。
杜波什開發的一般制樣操作流程
有意思的是，實驗結果表明，直接將待測樣品浸入液氮是無法成功得到「玻璃水」的。要想成功製得樣品，需要將樣品浸入經歷了液氮冷卻的乙烷之中。
總結一下，今年獲得諾貝爾生物物理學獎的三位教授……
噢，不對，重新來。
總結一下，今年獲得諾貝爾化學獎的三位教授在冷凍電鏡的開發過程中做出了傑出的貢獻，令觀察生物分子活動變化成為可能，讓科學家們能夠更好得理解生命現象或者生命活動，使得生物（化學）研究工作進入了一個新的紀元。
而作為化學狗，還是抱著一點點私心，希望有朝一日諾貝爾化學獎能夠告別理綜，頒給純化學領域的研究。
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