划时代突破Nature报道冷冻电镜首

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——年诺贝尔物理学奖得主理查德?费曼

正如费曼教授所言，许多科学发现常常都建立在对微观世界进行成功显像的基础之上，随着技术的发展，只要分辨率足够高，在原子尺度上观察生命现象，也只是举手之劳。冷冻电镜作为一种能帮助我们探寻生命微观奥秘的有力技术，在激荡中，已然走过40年时光，步入了看清原子的时代。

l看清原子，冷冻电镜打开了新宇宙

00年6月3日，Nature在线发表了题为它打开了一个全新的宇宙：革命性的显微镜技术首次看到了「单个原子」的在线报道，浓墨重彩地介绍了冷冻电镜在分辨上的重大突破。

图片来源：Nature

究竟是怎么样的突破，让Nature不吝赞美之词，用「打开全新的宇宙」、「革命性」来重点推荐呢？

简单而言，就是冷冻电镜再一次打破了分辨率记录，做到了对单个原子以及化学修饰的可视化，也就是所谓的真?原子分辨率。

实现这一突破的有两个课题组。

其一是德国马普生物物理化学研究所结构动力学系HolgerStark课题组，该课题组在预印本平台bioRxiv上发表了题为BreakingthenextCryo-EMresolutionbarrier–Atomicresolutiondeterminationofproteins!的文章，实现了对去铁铁蛋白（apoferritin）结构在原子级别的分辨率（1.5?）的解析。

图片来源：bioRxiv

另一项研究则由英国医学研究委员会分子生物学实验室（MRC-LMB）的结构生物学家SjorsScheres和RaduAricescu所领衔的团队完成，该团队在1.?的分辨率上重建了小鼠去铁铁蛋白（mouseapoferritin）的结构。

图片来源：bioRxiv

1.?的分辨率对蛋白结构解析来说，确实具有划时代的意义。

尽管当前越来越多已解析的蛋白质结构分辨率能够达到-3?的范围，并且有部分样品的分辨率高于?，达到了1.5?的水平，但是要达到可以直接可视化蛋白质结构中的真实原子位置，仍然需要更高的分辨率。

HolgerStark课题组使用了新开发的电子显微镜TitanMono-BCOR获得了1.5?分辨率的蛋白分子结构，第一次让我们看到了蛋白质中的单个原子。

图片来源：bioRxiv

不仅如此，这项技术还能够查看氢原子的密度和单原子的化学修饰，揭示了前所未有的结构细节。

图片来源：bioRxiv

打开新宇宙的新时代，确实要来了。

l四十年激荡路，冷冻电镜与结构生物学新纪元

时间回到年。

这年，罗伯特?格雷瑟提出了「冷冻含水生物样品的电镜成像」概念，即生物大分子的结构完整性，可以通过将它们「冻起来」而得到保留。

图片来源：Science

这一概念便是后来冷冻电镜能以「镜」制「冻」的重要前提。

年，雅克?杜博歇教授领导的小组，基于这一概念开发出了实用的快速冷冻制样技术。

图片来源：Ultramicroscopy

这一技术使得生物样品在冷冻过程中不会被冰晶损伤，同时也可以大大减少电镜产生的高能电子对生物样品辐照的损伤。

但是，冷冻电镜的发展还离不了另外两位重要的科学家。

约阿希姆?弗兰克教授解决的了「所见与所得」的问题，让我们看到了蛋白质的三维空间结构。

图片来源：Ultramicroscopy

他发明了单颗粒三维重构算法，通过计算机来处理冷冻电镜拍摄下的蛋白质分子的二维照片，进而解析出蛋白质的三维空间结构。

这一创新的想法与样本的冷冻制备相结合，才造就了我们所熟知的「单粒子冷冻电镜」。

随后，电镜的电子光学系统性能和稳定性的不断改善，人们发现电镜相机记录图像信号的能力成为了分辨率的决定性因素。

另一位科学家——理查德?亨德森教授则在冷冻电镜的硬件理论上作出了重要贡献。年，理查德?亨德森教授提出，将直接电子探测相机用于冷冻电镜，可大大提高冷冻电镜的数据质量。

图片来源：JMB

这一理论提出的10年后，直接电子探测技术和随后发展出来的电子计数技术突破性地将相机记录到的可用信号的分辨率大幅提高到了原子尺度。

图片来源：Nature

年俨然成为了冷冻电镜发展的分水岭。

年，随着瑞典皇家科学院发言人的宣布，诺贝尔化学奖尘埃落定。

瑞士洛桑大学教授雅克?杜博歇、美国哥伦比亚大学教授约阿希姆?弗兰克以及英国剑桥大学教授理查德?亨德森分享了这一奖项，获奖原因是他们在开发低温冷冻电子显微镜解决溶液中生物分子的高分辨率结构测定方面作出了杰出贡献。

图片来源：诺奖

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