冷冻电镜——诺贝尔界的“理综奖”

刘铭;程帅

【期刊名称】《高中数理化》 【年(卷),期】2018(000)001 【总页数】1页(P44) 【作 者】刘铭;程帅

【作者单位】清华大学附属中学;清华大学附属中学 【正文语种】中 文

2017年诺贝尔化学奖颁给了发明冷冻电镜的三位学者,他们是:哥伦比亚大学教授约阿基姆·弗兰克(Joachim Frank)、苏格兰分子生物学家和生物物理学家理查德·亨德森(Richard Henderson)和瑞士洛桑大学生物物理学荣誉教授雅克·迪波什(Jacques Dubochet)． 图1

让我们先来回顾一下显微镜的发展.

我们熟知的光学显微镜是利用可见光作为探针来观测微观物体,比如光学显微镜可以观察细胞，但是,由于光子的波长远远大于蛋白质分子,光学显微镜无法观测到他们．而蛋白质是生命活动的主要执行者,研究蛋白质的结构对于生物化学、制药等领域有着至关重要的作用．

为了观测到它们,电子显微镜应运而生．

电子的波长是光子波长的十万分之一左右,相当于一根极细的探针,它打在蛋白质分

子这类生物大分子身上能被反射,这些反射的电子经过电脑加工处理就产生一张张照片,因此,电子显微镜诞生了．理论虽说如此,但传统的电镜,在实际操作时,也存在几个难题．

首先,电子显微镜的电子只有在真空中飞行的时候才能保持稳定的动能，而蛋白质这类生物大分子一般处于溶液中,在真空环境下,溶液会挥发,污染电子显微镜,成像不清晰．

其次,电子打在蛋白质这类生物大分子上容易把蛋白质打坏,因为电子的能量较高,而生物大分子一般依靠氢键来形成它的空间结构,氢键的能量很低,电子打上去以后,氢键容易断裂,破坏其结构．

最后,因为蛋白质分子这类生物大分子是有活性的,它们是运动的,电子打上去反射回来的方向会因为分子的运动而改变,影响判断结果．所以传统的电子显微镜是无法观看蛋白质分子等有活性的生物大分子的． 为了解决这些困难,冷冻电镜技术应运而生．

冷冻电镜(CryoEM)就是把样品冻起来,然后保持低温放进显微镜里面,电子作为光源从上面照下来,透过样品和附近的冰层,受到散射，再利用探测器和透镜系统把散射信号成像记录下来,最后进行信号处理,得到样品的结构．快速冷冻技术可使水在低温状态下呈玻璃态,减少冰晶的产生,从而不影响样品本身结构,冷冻传输系统保证在低温状态下对样品进行电镜观察．

300千伏Titan Krios场发射冷冻透射电子显微镜图2

冷冻电镜技术的最新革命主要有两大核心的技术突破:电子直接探测相机以及三维重构软件,能够大幅提高解析大型蛋白复合体原子分辨率三维结构的效率．在保持生物样品的活性和功能状态的同时,不必像以往传统观测模式前要制备晶体, 特别适合难于结晶的大分子及其复合物的三维结构的判定;结合新型的电子显微镜、制样机器人等设备和技术, 可以实现显微制样、数据收集、三维重构全过程的自动化或

半自动化, 为高通量、快速解析大分子及其复合物的三维结构打下基础． 冷冻电镜主要是使生物分子成像变得更简单,促进了结构生物学的蓬勃发展．2017年的诺贝尔化学奖奖励给了物理学家,却被用到了生物学研究领域,所以成了名副其实的“理科综合奖”,这也许就是科学无界限的体现吧！