2017诺贝尔化学奖:冷冻电镜技术如何革新生物化学?

2017-10-09 10:03 来源:中国数字科技馆 
2017-10-09 10:03:52来源:中国数字科技馆作者:责任编辑:肖春芳

  2017年度的诺贝尔化学奖10月4日授予贾克•杜伯谢(Jacques Dubochet)、约阿希姆•弗兰克(Joachim Frank)和理查德•亨德森(Richard Henderson),表彰他们在开发用于溶液中生物分子高分辨率结构测定的冷冻电镜技术。3名科学家分别来自瑞士、美国和英国,他们将共同分享900万瑞典克朗(约合人民币738.49万元)奖金。

2017诺贝尔化学奖:冷冻电镜技术如何革新生物化学?

  3名科学家的早期贡献

  冷冻电镜(Cryo-EM)惯称低温电子显微镜技术,是指在低温下通过使用透射电子显微镜去观察实验样品的显微技术,它与X射线晶体学、核磁共振一起构成了高分辨率结构生物学研究基础。

  来自诺贝尔奖委员会的官网介绍说,冷冻电镜这项技术简化并大幅度提升了生物分子成像的质量,将生物化学研究带入一个崭新的时代。此次获诺贝尔化学奖的三位科学家分别在冷冻电镜基本理论、重构算法和实验方面作出了早期重要贡献。

  长期以来,人们认为电子显微镜只能用于死亡物质成像,因为强大的电子束破坏了生物材料。但在1990年,理查德•亨德森成功利用电子显微镜在原子分辨率上生成了蛋白质的三维图像。这一突破证明了该技术的潜力。

2017诺贝尔化学奖:冷冻电镜技术如何革新生物化学?

冷冻电镜在2013年的技术革命(资料图片)

  通常,图像显示是研究人员对实验进行分析的关键,约阿希姆•弗兰克让这项技术普及应用。1975年到1986年间,他开发的图像处理方法使得电子显微镜的模糊2D结构图被分析和合并,生成清晰的三维图像。

  快速冷冻,可以使蛋白质和所在水溶液环境迅速从溶液态转变为玻璃态,而玻璃态则可以使蛋白质的结构保持其天然状态。“假如以温和缓慢的方式进行冷冻,这样便会形成晶体冰过程,生物分子的结构将会被损坏。”而为了在高倍镜下观察到生物分子的结构性分离,贾克•杜伯谢将水加入了电子显微镜。上世纪80年代早期,杜伯谢通过快速降温,让水在生物样本中固化,使得生物分子能够在真空中保持其自然形态。

2017诺贝尔化学奖:冷冻电镜技术如何革新生物化学?

冷冻电镜数据分析处理流程(资料图片)

  生物化学突破,技术应用常态化

  技术升级和创新使得电子显微镜每一个“螺母和螺栓”结构部件都得到了优化。2013年,科学家们成功实现了符合生物分子原子分辨率的指标,这项技术突破给结构生物学领域带来一次革新。许多长期无法解决的重要大型复合体及膜蛋白的原子分辨率结构被攻克。

  现在,使用冷冻电镜技术分析生物分子三维结构已成为科学家们的常规做法。近年来,从导致抗生素耐药性的蛋白质到寨卡病毒的表面,科学文献中充满着各种图像数据。生物化学目前正面临着爆炸性的发展,未来令人兴奋。

  事实上,诺贝尔化学奖自设立以来,它的研究成果一直在普惠于人类生活。北京生命科学研究所研究员何万中说,3名科学家因冷冻电镜技术获得诺贝尔化学奖乃是实至名归。

  “亨德森博士凭借他深厚的物理学及电子显微学功底,提出实现原子分辨率冷冻电镜技术的可行性,在理论上做了一系列超前的预见。”何万中撰文分析说,在电镜分辨率的技术革命中,亨德森是个不折不扣的发起者。

  “我们现在有一条狗每天早晨起床特别早,我是被狗的声音叫醒的。但这一次被叫醒的是诺贝尔奖电话消息,我很开心。”约阿希姆•弗兰克在获得诺奖后说。理查德•亨德森在获诺奖后接受电话采访时描述了冷冻电镜技术为何如此重要,称冷冻电镜技术打开了一个无与伦比的结构生物学领域。

  自1901年至今,诺贝尔化学奖共颁发109次,授予了178位得主。已故英国生物化学家弗雷德里克•桑格(Frederick Sanger)是唯一在1958年和1980年两次获得该奖项的科学家,这意味着百余年来共有177人获得诺贝尔化学奖。(吴劲珉)

[责任编辑:肖春芳]

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