大約300多年前，列文虎克和羅伯特·胡克發明了光學顯微鏡，人類首次用光學透鏡窺探到了「細胞級」的微觀世界。光學顯微鏡主要是利用光通過透明介質的折射原理，對光進行聚焦，從而實現圖像的放大。目前，我們可以利用光學顯微鏡觀察細胞運動和細胞分裂等單個細胞狀態。
上世紀30年代，德國科學家恩斯特·魯斯卡發現電子在磁場下可以發生聚焦的效應，發明了世界上第一臺透射電子顯微鏡。透射電子顯微鏡的問世，使我們可以觀察更為精彩的微觀世界。在現代透射電子顯微鏡下，人們可以看到非常精細的原子結構和細胞內部結構。
如今，科學家在透射電子顯微鏡之上發明了冷凍電鏡，實現了生物分子「近原子級」的解析度，讓人類終於可以一窺究竟生物分子是如何執行其功能。在過去幾年裡，冷凍電子顯微鏡技術逐漸成為結構生物學的重要研究工具。冷凍電鏡技術的三位先驅者，也憑藉對冷凍電鏡技術的開拓和持續推進，獲得了2017年的諾貝爾化學獎。
冷凍電鏡技術的基本原理是將生物大分子溶液置於電鏡載網上形成一層非常薄的水膜，然後利用快速冷凍技術將其瞬間冷凍至液氮溫度下。冷凍速度非常快，以至於水膜無法形成晶體，而是形成一層玻璃態的冰。生物大分子就被固定在這層薄冰裡。將這樣的冷凍樣品保持低溫放置在透射電子顯微鏡下觀察，從而獲得生物大分子的結構，被稱為冷凍電鏡技術。
在透射電子顯微鏡下，高能電子束穿透每一個分子，如同X光穿過人的身體一樣，可以拍攝到分子的形貌和它內部的結構信息。科學家們利用計算機將樣本裡的每一個分子提取出來，把相似的分子予以歸類，然後疊加、平均獲得其內部結構更為精細的圖像，由此得到分子不同方向的二維結構，最後經過計算機三維重構算法，可以得到分子的三維模型。這一過程被稱為冷凍電鏡三維重構解析。
冷凍電鏡可以通過揭示細胞裡發生的生命過程細節，幫助人們了解很多有意思的生物學現象。比如，我們吃辣椒會覺得辣，是因為辣椒裡有一種叫做辣椒素的小分子。辣椒素與位於舌頭神經末梢的膜蛋白TPRV1結合，打開膜蛋白上的一個通道，讓細胞膜外面的離子向細胞膜內部流動，這樣微小的流動產生的電流通過神經纖維最終傳遞到我們的大腦，讓我們感受到辣的感覺。2013年，科學家利用冷凍電鏡技術，以近原子解析度解析了膜蛋白TRPV1的通道結構，以及它與辣椒素相互結合的結構。人們由此了解到，實際上是由於辣椒素結合到4個亞基所組成的通道膜蛋白上把孔道撐開，才使得離子可以穿透。
除此以外，冷凍電鏡技術也正在成為助力醫藥研發的有力手段。依託對蛋白質結構的理解，科學家正在開發更有效的抗癌藥、抗生素、止痛藥、麻醉劑等。
中國過去10多年裡，建成了世界上最大的冷凍電鏡設施。中國的科學家，也在冷凍電鏡領域取得了很多舉世矚目的成就，引起了世界的廣泛關注。比如清華大學的施一公團隊，對老年痴呆症相關的重要蛋白質結構進行了解析，對於我們理解它的發病機理甚至開發重要治療方法有重要意義。他們對剪接體複合體一系列結構的研究幫助我們理解細胞的演化、細胞的基因調控和其他一些相關疾病有著重要意義。在清華大學的隋森芳教授的光和反應實驗中，有一個捕獲光能的蛋白質複合體的重要結構被解析出來。2019年，中國科學家利用冷凍電鏡技術解析到世界上目前解析度最高的豬瘟病毒結構，這對我們了解該病毒的發病機理，以及如何更好開發疫苗具有重要意義。
冷凍電鏡技術的發展，使得今天的人類可以對細胞內的生命活動有更多了解。未來，科學家將藉助冷凍電鏡技術繼續對複雜生命體的解讀。
(作者為清華大學生命與科學學院院長)
《 人民日報 》( 2020年02月07日 17 版)