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    2017年诺贝尔化学奖授予三国科学家,以及一种了不起的显微镜……

    日期: 2017-10-09
    浏览: 52

    北京时间10月4日17时45分许(斯德哥尔摩时间10月4日11时45分),2017年诺贝尔化学奖揭晓,授予瑞士洛桑大学的生物物理学家雅克·杜波榭(Jacques Dubochet)、美国哥伦比亚大学的物物理学家约阿基姆·弗兰克(Joachim Frank)与英国剑桥大学的分子生物学家和生物物理学家理查德·亨德森(Richard Henderson),以表彰三位科学家发展了冷冻电子显微镜技术,以很高的分辨率确定了溶液里的生物分子结构——这一杰出贡献简化了生物细胞的成像过程,提高了成像质量。

    由此,生物化学迈入了新的时代。






    一句大白话来概括:这是一个发给了物理学家的诺贝尔化学奖,原因是他们开发的冷冻电镜,使得生物学家能够便捷地为生物大分子“拍照”,还是“高清照片”!

    所谓“冷冻电子显微镜”技术,是指在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术,简称“”冷冻电镜“”(cryo-EM)技术。

    这意味着,用不着太久远的将来,我们或许就可以获取关于生命复杂机制的原子级分辨率详实图片了。 

    感谢这些研发和完善冷冻电镜的科学家们,我们所能看见的微观世界,从上图左侧那样,变成了右侧这样。

    眼见为实,成像技术是理解事实真相的关键。科学上的许多的重大突破和进展,都建立在经典的成像技术之上,这些成像技术成功地将人类肉眼不可见的图像原原本本地呈现在科学家眼前。然而,在生物化学领域,成像却困难重重,现有技术难以实现生命体的大部分分子内在机械的可视化,很难帮助研究者获得生命体内分子零件的清晰图像,所以有很多研究方向留存空白。

    幸运的是,我们拥有了冷冻电子显微镜!得益于它,科学家现在可以将运动中的生物分子冷冻起来,然后利用冷冻电子显微镜对其成像,将那些我们之前未曾见过的生命过程呈现在我们眼前。无论对深入理解生命的基础化学过程,还是研发相关药物或治疗方法,这都是决定性的。

    科学界一度认为,电子显微成像技术只适用于对无生命的物质拍照,因为强大的电子束会破坏生物体中的生命物质。然而——

     

     

    在1990年,理查德·亨德森成功应用电子显微镜拍摄到了一张原子级分辨率的蛋白图像。

    1975年到1986年间,约阿基姆·弗兰克开发出一种图像处理技术,可以将电子显微镜模糊的二维图像转化成清晰的三维结构图像。

    雅克·杜波榭则解决了电子显微镜技术中水的问题,令液态水可以在电子显微镜的真空管中蒸发,从而破坏生物分子。在上世纪80年代早期,迪波什成功将水玻璃态化,他将水快速冷却,保护了生物分子在电子显微镜成像过程中的自然形态。



     

     

    三位诺奖新得主的研究与发现,为冷冻电镜技术发展奠定了坚实的基础,冷冻电子显微镜的每个微小部件都经过了优化与完善。2013年,电子显微镜终于达到了梦寐以求的原子级分辨率。

    现在,获得生物分子的三维结构已经是科学家们的日常。他们可以采用常规的流程制作生物化学分子的三维图像,在过去的几年中,世界各国的科学家,包括众多著名的华人科学家,已经获得了各种重要蛋白的三维结构图像,从造成抗生素耐药性的蛋白质到寨卡病毒的表面……不胜枚举。生物化学正在享受其井喷式的发展,前程似锦。我们只需准备好迎接其更激动人心的未来。



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    【延伸阅读】冷冻电镜与结构生物学

    生物大分子是一切生命活动的最终执行者,它们主要是核酸和蛋白。核酸携带生命体的遗传信息,而蛋白则是生命活动的主要执行者。

    结构生物学最早诞生于上个世纪中叶,它是一门通过研究生物大分子的结构与运动来阐明生命现象的学科。其直接研究目的,便是弄清楚生命大分子结构,从而更好地理解生命。

    在结构生物学的发展史上,有两个里程碑式的事件,凑巧的是,两者均在剑桥大学MRC分子生物学实验室完成,皆于1962年获得了诺贝尔奖——生理学或医学奖,化学奖。一是大名鼎鼎的DNA双螺旋结构的发现,另一个的公众知晓度稍逊,是肌红蛋白晶体结构的解析。它们都是采用X射线的方法来解析生物大分子结构的杰作,事实上,该方法在过去半个世纪里,一直占据结构生物学的主导地位。

    电子显微镜发明于1931年。今天为三位科学家赢得本年度诺贝尔化学奖的冷冻电镜,则出现于上世纪七八十年代,随着近几年相关技术的革命性飞跃,它可以快速、简易、高效、高分辨率地解析高度复杂的超大生物分子结构,在很大程度上取代且超越了传统的X射线晶体学方法。

    掐指算算,冷冻电镜技术的最近一次“发力”,可追溯到2013年,它仿佛一场完美风暴,迅速席卷结构生物学领域。传统X射线、传统晶体学久久无法解决的许多重要大型复合体及膜蛋白的原子分辨率结构,逐一获解。

    一年一度,《自然》杂志旗下子刊《自然·方法》(Nature Methods)都会盘点当年的年度科学技术。2015年最受关注的技术,便是冷冻电镜技术。

     

    获奖人简介

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    雅克•杜波榭(Jacques Dubochet)

    1942年生于瑞士艾格勒,1973年获日内瓦大学和瑞士巴塞尔大学博士学位,现为瑞士洛桑大学生物物理学荣誉教授。领导研究团队开发出真正成熟可用的快速投入冷冻制样技术,制作不形成冰晶体的玻璃态冰包埋样品,随着冷台技术的开发,冷冻电镜技术正式推广开来。

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    约阿基姆•弗兰克(Joachim Frank)

    1940年生于德国锡根,1970年获德国慕尼黑技术大学博士学位,现为美国哥伦比亚大学的生物化学、分子生物物理学及生命科学教授。因发明单粒子冷冻电镜而闻名,此外对细菌和真核生物的核糖体结构和功能研究也做出重要贡献。2006年当选美国艺术与科学、美国国家科学院两院院士。2014年获本杰明·富兰克林生命科学奖。



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    理查德•亨德森(Richard Henderson)

    1945年生于苏格兰爱丁堡,1969年获英国剑桥大学博士学位,现为英国剑桥大学的MRC分子生物学实验室项目负责人。电子显微镜领域的开创者之一。1975年,他与Nigel Unwin通过电子显微镜研究膜蛋白、细菌视紫红质,并由此揭示出膜蛋白具有良好的机构,可以发生α-螺旋。近年来,将注意力集中在单粒子电子显微镜上,即用冷冻电镜确定蛋白质的原子分辨率模型。


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