冷凍電鏡（Cryo-EM）能斬獲諾貝爾獎在業內並不算意外。只不過，2017年度諾貝爾化學獎公布之後，有評論稱再次聯想到這一獎項的俗名「諾貝爾理綜獎」，獎項背後的獲得者均有生物物理學背景，影響最大的領域目前則在生物學。
生命活動的關鍵密碼在於核酸和蛋白質，核酸因攜帶遺傳物質備受科研界關注，而蛋白質作為生命活動的主要執行者，其結構解析在1960年代崛起。X射線晶體學成像、核磁共振在此前的近80年時間裡是生物分子模型的兩大主要獲得手段。
X射線晶體學是最早用於結構解析的實驗方法之一。其中關鍵步驟之一即是，為獲得可供X射線衍射的單晶，需要將純化後的生物樣品進行晶體生長。現實情況卻是，目前很多複雜的大分子物質難以獲得晶體。
而核磁共振能解析在溶液狀態下的蛋白質結構，因此被認為比晶體結構更能夠描述生物大分子在細胞內的真實結構，並且能獲得氫原子的結構位置。缺點則在於蛋白質在溶液中往往結構不穩定而難得獲取穩定的信號。
因此，無論是X射線晶體學成像還是核磁共振，都不能讓研究者獲得高解析度的大型蛋白複合體結構，生物結構學領域的發展也因此受困於成像技術。2013年成為了一道分水嶺，冷凍電鏡在這一年臻於成熟。
冷凍電鏡打開了長期停滯的局面。研究人員無需將大分子樣品製成晶體，通過對運動中的生物分子進行冷凍，即可在原子層面上進行高分辨成像。
隨後，蛋白質或複合蛋白結構解析領域諸多被稱為諾獎級的論文陸續發表，背後的利器正是冷凍電鏡，這項技術應用也正式迎來井噴式發展階段。2015年，國際著名期刊《自然》旗下子刊Nature Methods就將冷凍電鏡技術評為年度最受關注的技術。
國內冷凍電鏡應用領域的領軍人物，中國科學院院士、結構生物學家、清華大學副校長施一公在今年5月曾表示，冷凍電鏡的發展像是一場猛烈的革命。「就目前發展前景來看，冷凍電鏡技術是可與測序技術、質譜技術相提並論的第三大技術！」
這項被諾貝爾獎官方稱為「使得生物化學進入一個新時代」的技術，其故事的源頭則要回到1970年代的理察•亨德森，他將生物分子的觀察堅定地引入了電子顯微鏡這一路徑。
X射線晶體學的天花板出生於蘇格蘭，現年72歲的理察•亨德森被公認為是這場高解析度觀察生物大分子革命背後的發起者。
亨德森於1969年在劍橋大學分子生物學實驗室獲得X射線晶體學領域的博士學位，此前則是愛丁堡大學物理學背景。博士畢業後在耶魯大學做博士後研究，最終於1973年回到劍橋大學至今，目前為劍橋大學MRC分子生物學實驗室的主任。
起初，亨德森試圖用傳統的X射線晶體學對一種細胞膜中的內嵌蛋白成像，然而晶體製備這一基礎關就難以跨越，內嵌蛋白一旦脫離細胞膜，結構迅速坍塌。數年研究無果後，亨德森意識到X射線晶體學已經到了蛋白質結構解析的天花板，必須將目光投向另一種成像技術。
亨德森迷茫之際，冷凍電鏡的雛形剛剛建立。
1968年，同樣在劍橋大學MRC分子生物學實驗室裡，Aron Klug和他的學生DeRosier在Nature上發表了一篇關於利用電子顯微鏡照片重構噬菌體病毒尾部三維結構的論文，提出並建立了電子顯微三維重構的一般概念和方法。Aron Klug因此獲得1982年諾貝爾化學獎。
1974年，加州大學伯克利分校的Robert Glaeser和他學生Ken Taylor 首次提出冷凍電鏡，並測試了冷凍含水生物樣品的電鏡成像，目的在於降低高能電子對分子結構的損傷，並因此實現高分辨成像。
揭開生物分子的原子層面紗1975年，這一年距離電子顯微鏡誕生已有40年左右時間，其應用在「死」物質裡如火如荼，在生物學領域卻被普遍認為「不適用」。強電子束、真空腔，這些環境使得生物樣品註定被破壞。
然而，亨德森在細菌視紫紅質（bR，能吸收光能）上的嘗試，證明了電子顯微鏡在生物領域的適用性。
亨德森將未脫離細胞膜的細菌視紫紅質直接放置在電子顯微鏡下進行觀察，藉助表面覆蓋的葡萄糖防止真空乾涸，並採用強度更低的電子束流，得出細菌視紫紅質在細胞膜上是規整排列且朝向一致。之後，在前述Aron Klug等人提出的三維重構技術的基礎上，亨德森和同事獲得了細菌視紫紅質較為粗糙的三維立體結構圖像。這也是歷史上第一張膜蛋白領域的三維結構。
這張圖像的解析度達到7埃（Å，相當於0.7納米），已經是當時電子顯微鏡獲得的歷史最佳蛋白圖像。但亨德森的目標是解析度達到3埃左右，這一清晰水平才能和此前的X射線晶體學成像大致相當。
15年後，也就是1990年，亨德森再次對外發布了解析度達到原子層面的細菌視紫紅質立體圖像，這一突破性成果有力證明了用電子顯微鏡進行生物分子成像的潛力。
如果說亨德森堅定選擇了高解析度觀察生物大分子這條路，那麼約阿基姆•弗蘭克（Joachim Frank）則是冷凍電鏡單顆粒分析的鼻祖，耗費十餘年時間完成單顆粒三維重構算法及軟體Spider。同樣是在1975年，弗蘭克（Joachim Frank）開始思考如何對電子顯微鏡獲得的二維平面模糊圖像進行分析和疊加處理，最終得到更高解析度的三維立體圖像。
1981年，弗蘭克完成了一種算法，利用計算機識別圖像把相同蛋白質的不同影子收集起來，並且將輪廓相似的圖像進行分類對比，通過分析不同的重複模式將圖片擬合成更加清晰的2D圖像。在此基礎上，通過數學方法，在同一種蛋白質的不同2D圖像之間建立聯繫，以此為基礎擬合出3D結構圖像。弗蘭克的圖形擬合程序被認為是冷凍電鏡發展的基礎。
雅克•迪波什（Jacques Dubochet）的重要貢獻則是在真空環境下使生物分子保持自然形狀。幾乎是在同期的1978年，迪波什開始解決電子顯微鏡領域的樣品乾涸並遭破壞的問題。如前所述，亨德森在細菌視紫紅質成像是曾用葡萄糖來保護樣品，但這種方法並不普遍適用。
迪波什得出的方法是對生物樣品進行玻璃化（vitrifying water）。一般情況下，通過氫鍵的相互作用，水分子會在凝固過程中形成有序排列，形成晶體。而迪波什想到的即是在水分子相互作用之前就讓其凝固，將生物樣品浸入事先經液氮冷卻的乙烷中，就能使水迅速冷卻、在數毫秒之內完全凝固，這種方式得到的就不是晶體而是無定形態，而玻璃也是處於無定形態，玻璃化名稱由此而來。生物樣品嵌在無定形冰中，堪稱留下了真實的一瞬間。
1982年，迪波什開發出真正成熟可用的快速投入冷凍制樣技術製作不形成冰晶體的玻璃態冰包埋樣品。1984年，迪波什首次發布不同病毒的結構圖像。
至此，相對容易地使用電子顯微鏡觀察生物大分子的要素基本集齊。
當然，冷凍電鏡時代的真正來臨，還得益於樣品製備技術、新一代電子探測器發明、軟體算法優化等多方面技術的進步。2013年，加州大學舊金山分校（UCSF）)程亦凡和David Julius 的研究組用冷凍電鏡首次得到膜蛋白TRPV1 的3.4 埃接近原子級別高解析度三維結構，這一結果被視為具有裡程碑意義。
國內對於諾獎級助手的熱情2013年開始，冷凍電鏡成為了諸多諾獎級論文成果的得力助手。在中國國內，這一方面的領軍人物是中國科學院院士、結構生物學家、清華大學副校長施一公，其關於剪切複合體的研究基本都利用了冷凍電鏡技術。
上世紀九十年代中期，清華大學隋森芳院士、中山大學張景強教授、中科院生物物理所徐偉研究員等人開始研究冷凍電鏡。真正的布局則在2010年之前，彼時冷凍電鏡正蓄勢待發。
2009年8月25日上午，清華大學醫研院—FEI電子顯微鏡合作籤字儀式暨亞洲首臺KRIOS冷凍電鏡安裝落成儀式在醫學科學樓舉行，時任生命科學與醫學研究院副院長施一公在合作協議上簽字。FEI TITAN KRIOS 300千伏透射電鏡是世界上最先進的高分辨場發射冷凍透射電鏡，彼時在世界範圍內安裝完成不超過10臺。
隨後，北京大學醫學院、中科院生物物理所也相繼採購冷凍電鏡。2017年5月，浙江大學更是自籌資金6000萬建立冷凍電鏡中心，一舉成為目前國際上設備配置最齊全、技術覆蓋面最廣泛的冷凍電鏡中心之一。
到場參加浙江大學冷凍電鏡中心成立慶典儀式的施一公當時發言稱，冷凍電鏡的發展像是一場猛烈的革命。「就目前發展前景來看，冷凍電鏡技術是可與測序技術、質譜技術相提並論的第三大技術！」
幸運的是，在業內看來，中國在冷凍電鏡的應用方面並不落後。
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