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2017年诺贝尔化学奖:让你看清生物大分子的模样

发布时间:2017-10-05 10:00:05 来源:科学网 责任编辑:笙火

2017年诺贝尔化学奖:让你看清生物大分子的模样

调皮的诺贝尔化学奖在去年颁给化学科学家之后,今年,又回归了“不务正业”的个性。这一次,这个奖颁给了三位生物物理科学家——瑞士洛桑大学名誉生物物理学教授Jacques Dubochet、美国哥伦比亚大学生物科学教授Joachim Frank、英国MRC分子生物学实验室项目主任Richard Henderson,因为他们在开发冷冻电镜的过程中贡献卓越。

对于生物物理领域的科研人员来说,这项技术获奖早在意料之中。“自从2013年这项技术出现重大突破后,每次国际会议上我们都会讨论,不是讨论它是否能获诺贝尔奖,而是讨论奖会颁给谁。”中国科学院生物物理所研究员、蛋白质科学研究平台生物成像中心首席科学家孙飞在接受《中国科学报》采访时笑言。

在他们看来,这次颁奖可谓实至名归。因为人类第一次可以在显微镜下看清楚接近天然状态的生物大分子的精细模样。

不仅要看活的,还要看清楚

长久以来,人们认为电子显微镜只能用于观察死去的物质,因为电子显微镜的电子束会杀死活体,电子显微镜的真空管也会让活体脱水而死。

要想不让活体脱水死去,可以对它们进行“冷淡保鲜”。上世纪80年代,Dubochet想到了快速冷却的办法。他将水引入电子显微镜中,并成功实现了水的快速冷冻玻璃化。

一般来说,液态水在电子显微镜的真空管里蒸发,会使得生物大分子瓦解。快速冷却技术可以迅速将水冷却,让其先以液体状态将生物样本包裹,之后立刻变成固体,从而使得生物分子在真空管中仍能保持其自然形态。

除了样本制备外,看得清楚当然也很关键。为了让图像更清晰,1975年到1986年之间,同样从事生物学研究的Frank开发出一种图像处理技术,这种技术能够分析电子显微镜生成的模糊2D图像,并将其合并,最终生成清晰的3D结构。这一突破,让未来冷冻电镜的广泛应用成为可能。

1990年,Henderson又成功地利用一台电子显微镜生成了一种蛋白质的3D图像,图像分辨率达到原子水平。这次突破奠定了冷冻电子显微技术发展的基础。

“尽管Henderson近些年的论文发表完全算不上‘耀眼’,但每一次冷冻电镜领域有重大突破或具有巨大争议性的研究结果,第一个被邀请‘出山’的便是Henderson教授。”剑桥MRC分子生物学实验室科研人员张凯评论。

至今,中国科学院生物物理所研究员孙飞还记得他和Henderson的第一次见面。那是2006年,当时冷冻电镜领域的相关技术突破还在酝酿中,Henderson正在呼吁人们关注冷冻电镜技术的潜力,并明确指出未来的突破方向。

这样的突破终于在2012年至2013年间到来了。“直接电子探测相机的研发成功,让冷冻电镜技术从2006年的纳米分辨率提高到了如今的0.2至0.3纳米,这是一个数量级的质的突破。”孙飞说。

2013年,美国加州大学程亦凡教授团队和合作者,使新相机技术成功应用于膜蛋白分子结构分析。这让冷冻电镜实现了真正的突破——分辨率达到近原子级别。生物大分子的世界,终于清晰了。

分子生物学研究的“神器”

10月2日下午,凑着今年诺贝尔奖大幕将起的热闹,张凯给化学奖押了宝。10月4日傍晚,化学奖一开奖,张凯就发了篇原创微信文章,里面激动地写着“全部命中!”。

像张凯一样对冷冻电镜研究充分热情的人员还有不少。原因是,这项技术已经成为分子生物科学家的重要研究工具。

中科院生化与细胞所国家蛋白质科学中心(上海)研究员丛尧告诉《中国科学报》记者,冷冻电镜技术随着直接电子探测技术的发展而发生“分辨率革命”,取得巨大进步。“可以在更自然的状态下从原子分辨率水平对生物大分子机器进行精细结构解析,甚至区分其动态结构变化。”她表示。

2008年前后,中科院生物物理所和清华大学分别购置了一台最新一代的冷冻电镜。

2011年,利用这台电镜,生物物理所研究员朱平等分析了昆虫多角体病毒的近原子分辨率三维结构,这是我国首次利用冷冻电镜技术解析的生物大分子原子结构模型。2016年,生物物理所研究员章新政等人利用最新的冷冻电镜技术解析了植物捕光超级复合体的原子分辨率三维结构,入选当年我国十大科技进展。

因为冷冻电镜,清华大学多次在《细胞》(Cell)、《自然》(Nature)、《科学》(Science)杂志上刊登重要成果,甚至总结出“冷冻电镜+清华大学=CNS”的“公式”。清华大学生命科学学院院长施一公在揭示剪接体结构及其工作机理后说:“如果没有冷冻电镜技术,就完全不可能得到剪接体近原子水平的分辨率。”

正因如此,冷冻电镜被称为分子生物学的“神器”,解析生物大分子复合物的三维结构越来越容易。在过去数年里,学术论文里随处可见各种物质的高清图像,从具有抗药性的蛋白,到寨卡病毒的外观。如今,生物化学正经历爆炸性发展,准备好了迎接那激动人心的未来。

“这项技术对结构生物学、生物化学、细胞生物学,及基于结构的药物设计等已经或即将带来了划时代的改变。”丛尧说。

下一个技术突破正在酝酿中

“神器”的研发,吸引了一大批来自各领域的科学家,让这一技术领域成为当下研究的热门。

“2013年冷冻电镜实现突破以后,立刻吸引了大量科学家的眼球,很多人开始转行从事这方面研究。除了一大批生命科学家开始利用这项技术研究结构分子生物学问题之外,数学、计算机领域的科学家开始研究冷冻电镜的图像处理问题、自动化问题,材料学家、物理学家开始研究更深层次的高分辨成像方法问题,化学领域的科学家开始研究新的样品制备方法等方面的问题。”孙飞说,“总之,这个领域现在非常热。”

冷冻电镜技术已经揣回了诺奖。可是,它似乎还在盯着下一个突破。

“诺奖的颁布是对这个冷冻电镜领域的认可,这个奖也告诉大家一个道理,科学的进步离不开技术的突破。”孙飞说。


近年来,国家加大了对技术方法研究的投入,中科院生物物理所、清华大学等科研机构一直在开展冷冻电镜技术方法研究。科学家们看到,中国冷冻电子显微技术领域发展迅速,已在国际冷冻电镜领域引起广泛关注。丛尧期待,相信中国科学家未来将会在该领域取得更大成就。

孙飞告诉记者,冷冻电镜技术发展还在酝酿另一个突破,如果可以实现,如同这次突破一样,将极大丰富人们对于生物大分子结构动态的认识,深入揭开生命的奥秘。

“现在冷冻电镜仍然是在溶液中看生物大分子的结构,下一步,我们正在探索怎样才能直接观察分子在生物体原位的精细结构,也就是在生物组织中直接观察生物大分子的结构动态。”孙飞说。

王凤枝 本文来源:科学网 责任编辑:王凤枝_NT2541

责任编辑: 笙火

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