大事記:冷凍電鏡的發展歷程-結構生物學研究利器

2020-12-05 騰訊網

2017年的諾貝爾化學獎頒給三位科學家雅克·杜波切特、阿希姆·弗蘭克和理察·亨德森，表彰他們以很高的解析度確定了溶液裡生物分子的結構，發展了冷凍電子顯微鏡技術。有人調侃說一幫物理學家獲得了諾貝爾化學獎，窺探了生物世界，這不應該被稱為諾貝爾理綜獎嗎？

冷凍電子顯微鏡究竟是一個怎樣的存在呢？居然可以做到跨天地人三界（大誤，劃掉），成為跨物理、化學和生物三界的明星？今天小編就和大家聊聊這個跨界明星的故事，它是如何打開人類的眼界，使人們進入生物體內的微觀世界中，向我們展示了高清的生命細節。

冷凍電子顯微鏡，簡稱冷凍電鏡（Cryo-EM），在生物學和材料科學的研究中有很大的用處，研究人員可以通過它獲得樣品的電子顯微圖像，重構出蛋白質或材料樣品的三維結構。冷凍電子顯微學解析生物大分子及細胞結構的基本過程包括樣品製備、電子顯微鏡成像、圖像處理及結構解析等幾個基本步驟。過去30年來，制約冷凍成像應用的瓶頸主要是冷凍成像和圖像處理算法，近年，兩大技術有了重大突破。

電子顯微鏡發明於1931年，但在生物學研究領域的應用滯後於材料學，原因在於生物樣品需要含水分才能穩定，而電子顯微鏡必須在高度真空的條件下工作。1974年，加州大學伯克利分校的研究員Robert Glaeser和他的學生Ken Taylor 首次提出並測試了冷凍含水生物樣品的電鏡成像，有效降低輻照損傷對高解析度結構的破壞和維持高真空條件，實現了高解析度成像。這是冷凍電鏡（Cryo-EM）的雛形。1982年，研究員Dubochet領導的小組開發出了真正成熟可用的冷凍制樣技術，可以製作不形成冰晶體的玻璃態冰包埋樣品。2013 年加州大學舊金山分校（UCSF） 的研究員程亦凡和David Julius得到膜蛋白TRPV1 的3.4埃（ ）的三維結構，結果發表在《Nature》上。此後生物科學領域的研究者應用冷凍電鏡（Cryo-EM）這項技術發現了更多科研成果，豐富了蛋白質、DNA、RNA等重要分子的晶體結構和它們之間相互作用和反應機理的資源庫。

新冠病毒（2019-nCoV）的主要蛋白酶的晶體結構（PDB ID：6Y2E，解析度：1.75 ）冷凍電鏡的實體圖

冷凍電鏡的樣品製備、觀測、圖像處理、三維重構實驗步驟示意圖

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