2017 诺贝尔化学奖揭晓,获奖 3 学者为低温电子显微镜革新者

G生活篇

发布时间:06-05 00:00
2017 诺贝尔化学奖揭晓,获奖 3 学者为低温电子显微镜革新者

2017 诺贝尔化学奖发表了,得奖人是瑞士的雅克·杜伯谢(Jacques Dubochet)、美国的乔基姆·法兰克(Joachim Frank)及英国的理查·韩德森(Richard Henderson)3 位学者,以表彰他们的低温电子显微镜革命,使观测高解析度生物分子结构成为可能。

2017 诺贝尔化学奖揭晓,获奖 3 学者为低温电子显微镜革新者

不知道大家以往在看生化医学相关的新闻时,有没有发现到某个时期前,病毒或其他生物分子结构的照片,看起来就像是老旧 3D 恐怖游戏里面的粗糙画面,就是一「坨」东西,看起就像是很假的 3D 模型,然而近几年好像变得很不一样?是的,2013 年是个转捩点,科学家开始可以用显微镜观看到高解析度的生物分子结构图,而且还是 3D 可旋转,这背后就来自于低温电子显微技术的大革命。

2017 诺贝尔化学奖揭晓,获奖 3 学者为低温电子显微镜革新者

 左边是 2013 年前的解析度,右边是现在的解析度。

自显微镜发明以来,科学家无不希望技术的进步,能让他们看到越来越细微的生物体分子结构。光学显微镜可以看到细胞的结构,例如说细胞里面哪里有蛋白质;而电子显微镜可以看到更细,例如蛋白质的分子结构。可是问题来了,电子显微镜的电子束会对生物体样本造成辐射损伤,看得稍微久一点,样本就烧焦了,在看本文的你可回想一下高中理化,应该对一件事有印象──科学观察要尽量避免观测行为干涉受观测者,以免导致不準确甚至不正确的观测结果,而这造成长时间以来电子显微镜主要用在化学或材料科学,而不是在生物样本。

电子显微镜的技术其实发展已久,最早的原型发表于 1931 年,一直到 1980 年代末,冷冻电子显微镜才发展出来。然而当时 X 光线是时髦研究工具,冷冻电子显微镜还在萌芽阶段,大家都不看好,只有韩德森这位先驱独排众议,预言「冷冻电镜会超越其它各种技术,成为蛋白结构研究的主要工具。」而后在 1990 年,韩德森首次成功用电子显微镜得到蛋白质结构的高解析影像。

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法兰克贡献的是 3D 影像分析法,跟观测无生命如石头、金属等静态物不同,生物样本当然会动来动去,传统照法出来的结果不但只有平面影像且还很模糊。法兰克发展出一套方法,就是先把生体分子「照相」投影到平面上,用电脑程式整理:分子照出甲截面的归纳在一起,照出乙截面的归纳在一起,当整理出好几种截面的投影以后,再把这些截面还原重製出 3D 的生体分子结构来(因为都是一样的分子)。

2017 诺贝尔化学奖揭晓,获奖 3 学者为低温电子显微镜革新者

 一、生体分子角度不一,而且还会动。

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 二、把投影下来的截面影像归类。

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 三、把归类好的截面影像编好索引。

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 四、重建出 3D 影像。

而杜伯谢的贡献更有趣了,传统的低温电子显微镜为避免生体样本被烧坏,是用结冰法。是的,生体样本这样就不会被电子束烧坏了,但结冰产生的冰晶结构会让成像画面扭曲失真,这样的影像品质当然就不好;而本来观测生体分子时,有时观测重点就是要看分子的运动,被冻住当然就动也动不了了。杜伯谢发明的方法,是把样本置入低温的液态乙烷,如此超低温下,包住蛋白质的单体仍可以自由活动,而电子束照射时,这样的低温液态乙烷不但能保护生体样本不被烧伤,且没有冰晶,所以可得到清晰不失真的影像。

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左边照片是用结冰拍照,画面会扭曲;右边照片是用液体,照出来画面就会是正常的。

由于他们 3 人的研究,让生物科技在这几年突飞猛进,例如许多病毒的结构可观测到深入原子的层级,这使一些本来陷入瓶颈的不治之症研究发出一丝曙光,这真的要感谢他们对人类社会的卓越贡献。



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