科普：“抓拍”生命分子的高清照片——解讀２０１７諾貝爾化學獎成果

10月4日，在瑞典斯德哥爾摩，獲得2017年諾貝爾化學獎的瑞士科學家雅克·杜博歇、美國科學家約阿希姆·弗蘭克以及英國科學家理查德·亨德森（從左至右）的照片顯示在屏幕上。瑞典皇家科學院4日宣布，將2017年諾貝爾化學獎授予瑞士科學家雅克·杜博歇、美國科學家約阿希姆·弗蘭克以及英國科學家理查德·亨德森，以表彰他們在冷凍顯微術領域的貢獻。新華社發（石天晟攝）

新華社北京１０月４日電（記者王艷紅）在生物體內，無數復雜分子不斷地運動著，形成又拆解、結合又分離，通過這些過程來實現各種生理功能。如果能任意“抓拍”高清照片、看清某個分子在特定瞬間的模樣，將使我們更深入地理解生命如何運作。

近幾年來迅速竄紅的低溫冷凍電子顯微術（Ｃｒｙｏ—ＥＭ）就是這樣一種“抓拍”手段。２０１７年諾貝爾化學獎的三位獲獎者對該技術的發展作出了關鍵貢獻。

生物分子的功能很大程度上取決于它們的結構，不清楚一個分子的三維結構，就不能算是了解它。但是，用來觀測的波長決定了可觀測的尺度。可見光的波長比分子尺寸大很多，因此光學顯微鏡在這方面無用武之地，好比量腰圍的軟尺量不出頭發絲的粗細。

過去約一百年來，對生物分子結構的研究主要依賴于Ｘ射線晶體學，即通過Ｘ射線在晶體里的衍射情況推斷原子在空間里的排列，這項技術曾揭示了ＤＮＡ雙螺旋等諸多重要結構。

Ｘ射線波長較短，成像可以達到很高的分辨率，但它只能分析晶體——分子必須在空間中整齊有序地排列，才能形成衍射圖樣。生物體內的很多大分子難以結晶，沒法讓它們“列隊擺拍”；還有些分子雖然能結晶，但要先改頭換面一下才行，拍不到它們的“工作照”，而科學家感興趣的正是分子在生物體內溶液中活躍運作的樣子。

于是，人們把目光轉向了另一種高精度觀察工具——電子顯微鏡。

電子顯微鏡利用原子對電子的散射來揭示物質結構，電子能量越高、速度越快，“尺子”的刻度越精細。但電子束會破壞生物細胞和分子，而生物材料在電子顯微鏡下的成像能力差，即使用最強力的電子束透射，圖像對比度也很低。這就需要在樣本制備和操作上想辦法，盡量減少電子束帶來的破壞、增強對比度。

２０世紀８０年代初，工作于歐洲分子生物學實驗室的雅克·杜博歇提出了“急速冷卻”方案，奠定了低溫冷凍電子顯微術樣本制備與觀察的基本技術手段。冷凍可以對樣本起到保護作用，但通常的冷凍過程中，樣本里的水會結成冰晶，可能使物質結構發生改變。更重要的是，冰晶會“喧賓奪主”，使電子發生強烈衍射，干擾觀測。杜博歇用液氮對生物大分子溶液薄膜進行瞬間冷凍，使水來不及結晶而是形成無定形的“玻璃態”，就不會產生衍射。

電子顯微鏡觀測的樣本通常是只含一層分子的薄膜，可以視為二維的。對大量散布的同一種分子拍攝二維圖像，再把這些圖像整合起來，就可以得到該分子的三維圖像。２０世紀７０年代，在紐約沃茲沃思研究中心工作的約阿希姆·弗蘭克開始進行這種“三維重構”的理論研究，開發出了多種數學工具和圖像處理方法。

１９９０年，英國劍橋分子生物學實驗室的理查德·亨德森小組報告了他們對一種色素蛋白進行的三維重構，這項成果是低溫冷凍電子顯微術的重要里程碑，證明“冷凍樣本－二維成像－三維重構”的確可以得到高分辨率的三維圖像。它標志著一種研究生物大分子結構的新方法已經成形，其思路與Ｘ射線晶體學迥異，可以給生物體內溶液中、處于工作狀態的分子“抓拍”快照。

不過此后相當長時間里，低溫冷凍電子顯微術的精度都不太高，無法與Ｘ射線晶體學相比。這里既有觀測手段的原因，也有計算機發展水平的限制。

近幾年來，傳統的電子顯微術照相機被可以直接檢測電子的設備取代，解決了圖像轉換導致細節丟失的問題，這個重大進展也是亨德森的貢獻。輔以新的高分辨率圖像處理算法，以及突飛猛進的計算機運算能力，低溫冷凍電子顯微術的“高清時代”終于來臨，例如２０１６年發布的谷氨酸脫氫酶結構，分辨率達到了１．８埃（１埃等于１０的負１０次方米）。