2017诺贝尔化学奖:冷冻电子显微镜

#科普05:0086

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雅克·杜波什 约阿基姆·弗兰克 理查德·亨德森
共同获得了今年的诺贝尔化学奖
将生物化学 或许还有医学 带入了一个新时代
根据诺贝尔委员会的说法
这三位科学家因在冷冻电子显微镜技术方面的研究获得了诺贝尔奖
这是一种成像技术 可以让研究人员看到蛋白质
和其他具有原子精度的大型生物分子
知道分子中所有口袋和裂隙所在的位置
能帮助化学家设计出适合它们的药物
这使得成像技术
对于理解和治疗疾病和紊乱至关重要
研究人员暂时已经有很强大的工具来实现生物分子成像
特别是X射线晶体学和核磁共振光谱
事实上 许多诺贝尔奖已经颁给了那些
对使生命成为可能的分子进行成像的研究人员
那为什么又颁发了一个?
好吧 即使是装饰最华丽的方法也有缺点
例如 核磁共振光谱法最适合小生物分子
如果你想知道病毒的样子 这是一个累赘
如果你想用X射线晶体学
你感兴趣的生物分子必须结晶
不是所有的生物分子都能做到
冷冻电镜能在不牺牲分辨率的情况下绕过这些问题
一般来说 电子显微镜使用的是电子束而不是光
将样品放大到原子分辨率
但是普通的老式电子显微镜并没有对生物和其分子进行优化
用电子束撞击生物分子会损伤或破坏它们
电子显微镜在真空中工作 也会损伤或破坏生物分子
不过 我们今天看到的病毒 蛋白质
和其他亚细胞结构前所未有 这多亏了冷冻电镜技术
了解这是如何成为可能的 也揭示了
这三位获奖者被选中的原因
在1960年代末
理查德·亨德森使用X射线晶体学成像蛋白 获得了博士学位
所以他通晓这项技术的局限性
他决定利用电子显微镜来研究细菌调理素
一种蛋白质 古生菌用它来泵送质子通过细胞膜
亨德森把这些蛋白紧贴在细胞膜上
然后用葡萄糖溶液覆盖样品
使其免受显微镜真空的破坏
他还使用了低强度电子束
这通常会导致图像质量差
但是由于蛋白质在膜内固定的方式
亨德森和他的同事能够从仪器中得到足够的信号
在1975年发表了噬菌调理素的一种粗粒化模型
在接下来的15年里 研究人员改进了这项技术
并开始用液氮冷却样品
这样就能更好地保护它们免受电子显微镜的危害
增强了冷冻电子显微镜的冷冻部分
1990年 亨德森公布了噬菌调理素的一种新的原子冷冻电镜结构
与X射线晶体学有关
但是记住 这是一种蛋白质
为了使电子显微镜有更广泛的应用价值
需要做更多的工作 而不仅是噬菌调理素
这意味着
研究人员需要更好的方法来制备任意样本
尽管冷冻样本在电子显微镜下保护它们
但冰晶实际上干扰了成像
走进雅克·杜波切特和他的团队
1982年 他们发现可以将水玻璃化
通过加入液氮冷却的乙烷
玻璃化的水是玻璃状的 是随机排列的
而不是晶体状且有序排列的
所以它不会干扰成像
冷冻电镜的另一个早期障碍是图像处理能力
在雅克·杜波什突破前不久
约阿希姆·弗兰克发明了一种算法
可以让计算机查看一堆模糊的电子显微图
并将它们平均地变成一个清晰的图像
然后他在这个软件上建立了高分辨率的三维微图
它是由显微镜生成的二维图像计算得到的
它将我们带到80年代中期
但几十年前 冷冻电镜已经为它的黄金时间做好了准备
在这之后的几年里 电脑变得越来越好
当然 研究人员越来越擅长使用这种技术
但在过去的5年里 电子探测器技术也取得了巨大进步
这导致了高分辨率冷冻电镜结构的技术革命
冷冻电镜技术处理了各种复杂的蛋白质 核孔复合物
甚至是最近爆发的塞卡病毒
都是原子分辨率级别
我们谈论了生物学 医学 甚至还有一点物理
但是请记住这是一个化学奖
美国化学学会主席艾莉森·坎贝尔解释了原因
对我来说 这就是化学
因为它能使我们作为科学家 研究分子
分子中原子的排列及形成的结构
这都是关于化学的
它是一个生物分子 并不重要
重要的是分子如何与它周围的环境
或其它分子相互作用
对我来说 这都是关于化学
你可以看一个生物样本
你可以看看人类的生物样本
你可以看看微生物系统
你甚至可以看到用于工业应用的聚合物样品
或酶材料
所以对我而言这都是关于化学的
同时 不要低估这项工作对化学 医学或其他任何事情的重要性
但冷冻电镜技术制作了一些非常非常棒的图像
我们在描述中引入了一些链接
是通过冷冻电镜得到的一些非常棒的结构
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