觀察生命的細(xì)節(jié)

苗千

2017年10月4日，瑞典皇家科學(xué)院將本年度的諾貝爾化學(xué)獎授予三位發(fā)展了冷凍電子顯微鏡技術(shù)（Cryo-Electron Microscopy），使人類得以通過極高的分辨率研究溶液中的生物分子結(jié)構(gòu)的三位科學(xué)家：來自瑞士洛桑大學(xué)的雅克·杜波切特（Jacques Dubochet），美國哥倫比亞大學(xué)的喬基姆·弗蘭克（Joachim Frank），以及英國劍橋大學(xué)的理查德·亨德森（Richard Henderson）。這三位科學(xué)家將各獲得獎金的三分之一。諾貝爾委員會給出的授獎理由是：因為這三位科學(xué)家的貢獻(xiàn)，人類將可以很快以原子級別的清晰度觀察生命運行的機理，使人類終于獲得生物細(xì)胞的三維圖像，這對人類理解生命的本質(zhì)具有重大意義，“把生物化學(xué)推動到了一個新的時代”。

認(rèn)識各種蛋白質(zhì)、DNA、RNA，乃至病毒的真實結(jié)構(gòu)，對于人類研發(fā)藥物，乃至于理解生命的本質(zhì)都有重要意義，但是在冷凍電子顯微鏡技術(shù)發(fā)明之前，想做到這一點并不容易。人類此前經(jīng)常使用X射線晶體衍射的方法來探究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，但是這需要物質(zhì)以晶體的方式排列——這對于蛋白質(zhì)來說很難實現(xiàn)，而且通過這種方式也無法研究蛋白質(zhì)的活動特性。人類在20世紀(jì)30年代就開發(fā)出了電子顯微鏡技術(shù)，但是這種技術(shù)只能適用于沒有生命的物體——高能的粒子束會使生物細(xì)胞喪失水分，破壞細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)。

劍橋大學(xué)的細(xì)胞生物學(xué)家理查德·亨德森的博士課題與X射線的晶體衍射技術(shù)相關(guān)。為了探索蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，他一開始也試圖利用X射線成像，但到了20世紀(jì)70年代，他就轉(zhuǎn)向了電子顯微鏡技術(shù)，希望能夠有所突破。想要利用電子束來對生物細(xì)胞進(jìn)行成像，面臨著許多實際問題。電子顯微鏡通常需要在真空環(huán)境中進(jìn)行工作，如何制備樣品，如何保存生物細(xì)胞中的水分，又如何讓電子束不會破壞掉樣品的結(jié)構(gòu)，都是需要解決的難題。

英國劍橋大學(xué)的理查德·亨德森

最初科學(xué)家們想利用電子顯微鏡獲得生物細(xì)胞的圖像，需要先使用一種特制的薄膜包裹住樣品，然后用強度極低的電子束對其進(jìn)行成像。這種手段獲得的圖像精度有限。在20世紀(jì)70年代，理查德·亨德森與他在劍橋大學(xué)的合作者奈杰爾·安溫（Nigel Unwin）做出了一個重大突破，他們使用葡萄糖溶液替代樣品中的水分，并且采取了新型的樣品制備方式，可以在常溫下用極低強度的電子束進(jìn)行樣品成像，使電子束對樣品的損害降到最低，從而首次獲得了清晰的樣品結(jié)構(gòu)圖像。

喬基姆·弗蘭克從20世紀(jì)70年代開始研究一種圖像合成算法，可以將同一樣品在不同角度拍攝的二維電子顯微鏡圖像合成為三維圖像——這需要對每一個樣品的位置和朝向都做出準(zhǔn)確判斷。對于生物樣品來說，不同的樣品很少有完全相同的結(jié)構(gòu)，而且在樣品中還有可能含有雜質(zhì)。因此想要進(jìn)行判斷和計算，就需要能夠辨別同一樣品各種各樣的不同狀態(tài)。在1981年，喬基姆·弗蘭克與合作者馬林·凡·黑爾（Marin van Heel）得出一種方法，可以將樣品圖像根據(jù)不同的朝向歸類，同時分析樣品的結(jié)構(gòu)特點。喬基姆·弗蘭克在此基礎(chǔ)上開發(fā)了眾多用于樣品圖像分析的算法，他將這些算法綜合起來，形成一套被稱為“SPIDER”的電腦程序供科學(xué)界使用。這些算法對于低溫電子顯微鏡技術(shù)至關(guān)重要。

如果能夠在低溫條件下觀測樣品，會防止樣品中水分的蒸發(fā)，電子束對于樣品的損害也會降低。但另一方面，在低溫條件下樣品中的水分有可能凝結(jié)成晶體，這種晶體結(jié)構(gòu)會對電子束造成強烈的散射，影響成像，而且樣品中水分的晶體結(jié)構(gòu)也有可能破壞樣品自身的結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)上的困難在20世紀(jì)40年代就已經(jīng)被人注意到，逐漸有人開始意識到，這些難題可以通過對樣品進(jìn)行快速降溫，使樣品中的水分無法結(jié)晶，而是呈現(xiàn)出一種玻璃化的狀態(tài)來解決，這樣就有可能在低溫條件下獲得樣品高精度的圖像。

左圖：瑞士洛桑大學(xué)的雅克·杜波切特 右圖：美國哥倫比亞大學(xué)的喬基姆·弗蘭克（右）

在理論上，讓水在低溫狀態(tài)下維持一種玻璃化的固體形態(tài)，可以使樣品在電子顯微鏡中更清晰地成像，這已成為科學(xué)家們的共識。但在實際操作中，是否有可能讓大量的水分達(dá)到這樣的狀態(tài)，直到20世紀(jì)80年代之前還眾說紛紜，很多人對此充滿懷疑。直到1981年，這個問題才被真正解決，雅克·杜波切特與合作者阿拉斯戴爾·麥克道爾（Alasdair McDowall）終于在實驗中得到了玻璃化的固態(tài)水。他們把水噴灑在碳薄膜的表面，然后將其浸入到溫度為-190攝氏度的液態(tài)乙烷中，再使用液氮保持低溫狀態(tài)。這種玻璃化的固態(tài)水在低溫電子顯微鏡中可以非常均勻地吸收電子，達(dá)到一種理想的觀測狀態(tài)，而這種狀態(tài)在其被加熱到-140攝氏度的條件下又會被破壞，玻璃化的固態(tài)水會轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。理查德·亨德森認(rèn)為，雅克·杜波切特所完成的正是低溫電子顯微鏡中“低溫”這一部分，他是這個領(lǐng)域真正的開拓者。

如今低溫電子顯微鏡已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)生物學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)，這項技術(shù)仍然在不斷進(jìn)化，所能夠達(dá)到的分辨率也在不斷提高。現(xiàn)在這種技術(shù)已經(jīng)可以為科學(xué)家們提供生物細(xì)胞原子級別的清晰圖像。在2016年，人類正是通過這種技術(shù)得知寨卡病毒的結(jié)構(gòu)，理解病毒攻擊細(xì)胞的原理。人類也正在通過低溫電子顯微鏡技術(shù)理解生命更深刻的奧秘。而這三位科學(xué)家獲得諾貝爾化學(xué)獎，也會讓人們開始思考化學(xué)這門學(xué)科的本質(zhì)。

阿爾弗雷德·諾貝爾先生本人就是一位化學(xué)家，但近年來諾貝爾化學(xué)獎的光芒常常被物理學(xué)獎所掩蓋。就連很多化學(xué)家們也會開玩笑說，諾貝爾化學(xué)獎從來不頒發(fā)給真正的化學(xué)家，而是會頒給物理學(xué)家或是生物學(xué)家?；瘜W(xué)的研究領(lǐng)域確實沒有物理學(xué)廣闊，它是一門專注于分子層面的科學(xué)。2016年的諾貝爾化學(xué)獎頒發(fā)給了幾位發(fā)現(xiàn)新型化學(xué)鍵的科學(xué)家，而本年度的化學(xué)獎頒發(fā)給幾位開拓出全新的方法觀察分子結(jié)構(gòu)的科學(xué)家，這幾位科學(xué)家通過不同的手段，都讓人類在分子層面對自然界有了更深刻的認(rèn)識，這正是化學(xué)的迷人之處。

熱門人選

對于化學(xué)獎，湯森路透今年給出了這樣的預(yù)測名單：第一組：美國加州理工大學(xué)退休教授約翰·伯考（John E. Bercaw）、美國加州大學(xué)伯克利分校特聘教授羅伯特·伯格曼（Robert G. Bergman）、俄羅斯科學(xué)院謝苗諾夫化學(xué)物理研究所高級研究員格力蓋伊·舒爾平（Georgiy B. Shul'pin）等三人對C-H鍵官能團(tuán)化做出了重大貢獻(xiàn)。這三位科學(xué)家都是著名的有機化學(xué)家，在金屬有機催化劑研究領(lǐng)域都做出了杰出的貢獻(xiàn)，他們的研究成果早已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。

第二組：出生于丹麥的理論物理學(xué)家、美國斯坦福大學(xué)工程學(xué)院教授、普雷科特能源研究院高級研究員楊·諾斯科夫（Jens K. Norskov）。他在固態(tài)表面非均相催化的理論和實踐方面的基礎(chǔ)性突破。

第三組：日本桐蔭橫濱大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院、工程學(xué)研究生院光電化學(xué)與能源科學(xué)教授宮坂力（Tsutomu Miyasaka），韓國成均館大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院教授樸南圭（Nam-Gyu Park），英國牛津大學(xué)克拉倫登實驗室物理學(xué)教授亨利·斯奈思（Henry J. Snaith）。湯森路透給出的獲獎理由是，高效能量轉(zhuǎn)換效率的光伏材料的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用。

日本桐蔭橫濱大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院、工程學(xué)研究生院光電化學(xué)與能源科學(xué)教授宮坂力

不過，名單上的幾位科學(xué)家并沒有出現(xiàn)在獲獎人名單上。2017年的諾貝爾化學(xué)獎頒給了在冷凍電子顯微鏡技術(shù)方面做出杰出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家。湯森路透的預(yù)測是基于科學(xué)家的論文引用次數(shù)做出的判斷，引用次數(shù)的高低反映的是一位科學(xué)家近些年來的活躍程度以及某些學(xué)科近些年的熱度。而在評獎方面，瑞典皇家科學(xué)院是比較保守的，輕易不會冒險授予未經(jīng)時間充分檢驗的成果的。畢竟在這方面，瑞典皇家科學(xué)院是有過教訓(xùn)的。endprint