南科大冷凍電鏡中心:6臺最先進 1臺獨家定製 瞄準世界前三

　　科研人員在讀取數據　　

科研人員將樣品放進冷凍電鏡設備中

　　一個「顯微鏡」有多貴?答案是千萬或者上億元。

　　在南方科技大學冷凍電鏡中心一棟普通科研樓裡，就藏著這些身價驚人的「大傢伙」。這些「寶貝」被精心呵護，嬌貴得甚至容不下一點噪音。與此同時，科學家通過它們，不停地讀取著生命科學、新材料、新能源研究領域中不可或缺的重要密碼。

　　2018年11月19日，南科大冷凍電鏡中心正式揭牌。全部建成後，這將是我國配套最齊全、最先進的冷凍電鏡實驗室，同時規模也將躋身世界前三。近日，深圳商報記者走進這裡，探訪這些表面低調卻內有乾坤的「大顯微鏡」。

　　6臺機器世界先進，還有「獨家定製」

　　南科大冷凍電鏡中心是深圳市政府出資、南科大牽頭建設的重大基礎科學設施平臺，旨在支撐深圳市、粵港澳大灣區及中國南方在生物醫藥、精準醫療、新能源、新材料方面的科學研究及產業升級。

　　南科大冷凍電鏡實驗室擬安裝300千伏冷凍電鏡6臺及其它71臺/套相關輔助儀器和樣品製備設備。目前，項目一期的2臺300千伏冷凍電子顯微鏡已經完成安裝調試，投入使用。據南科大冷凍電鏡實驗室主任王培毅教授介紹，這6臺設備都是世界上最先進的，其中還有一臺是南科大冷凍電鏡中心根據需求「獨家定製」的，可以說是「世界唯一」。

　　2017年諾貝爾化學獎得主理察·亨德森曾預言，這裡將會成為全球最大的三個冷凍電鏡中心之一，未來的研究能力將會達到全球的前5%。

　　在全球範圍，冷凍電鏡近幾年熱度飆升，成為科學界「兵家必爭之地」。2017年諾貝爾化學獎頒給了在這個領域做出貢獻的三位科學家，更是說明冷凍電鏡炙手可熱。那麼，究竟什麼是冷凍電鏡?王培毅教授告訴記者，冷凍電鏡是電子顯微鏡的一種，它的工作原理和光學顯微鏡類似，也是通過光與樣品的相互作用而成像。只是冷凍電鏡所用的光源不是人們平時見到的可見光，而是電子。由于波長的限制，可見光的解析度一般是1500倍以下，而電子的波長非常短，大約是普通光波長的十萬分之一左右，因此冷凍電鏡的解析度可以達到更高的程度，能夠直接觀測到蛋白質分子一類的生物大分子的精細結構。

　　以生物醫藥領域的應用為例，冷凍電鏡技術就是「把組成動、植物的蛋白用生物學的方法取出後，以快速冷凍的方式冷凍到液氮溫度(-196度)，這樣可以保持蛋白的活性。在這種狀態下用冷凍電鏡觀察活蛋白，可以達到零點幾納米的解析度，由此準確判斷藥物靶標的位置，並根據藥物靶標來開發新藥。」因為可以「看」得更精細，所以冷凍電鏡技術在很多領域都被廣泛應用，被視做是材料科學、生命科學等學科基礎研究的利器。

　　「目前，全國購置的冷凍電鏡有27臺，主要集中在北京、上海等地。我們購買的冷凍電鏡，根據研究的領域不同有所側重，有些偏重於材料科學，有些偏重於生命科學。我們定製的那一臺『世界唯一』的冷凍電鏡，就是希望它能夠在重大疾病的診斷方面發揮作用。」王培毅教授告訴記者，2019年將是南科大冷凍電鏡中心非常重要的一年，除了定製的那一臺冷凍電鏡外，其他購置的電鏡將陸續到位，安裝、調試後，電鏡中心的工作將在2020年邁上新臺階。

　　「大傢伙」很嬌貴也很辛苦

　　隔著玻璃，記者順著王培毅教授的指引，看到了目前已經使用的兩臺冷凍電子顯微鏡靜靜矗立。但是，近300平方米的機房內，卻沒有工作人員忙碌的身影。

　　這是為什麼?「首先，我們的機房內一般是沒有人的，工作人員的工作都通過計算機遠程操控完成，只在裝樣品的時候才進入十幾分鐘。另一個原因是，今天實驗室內有施工，考慮到施工帶來的噪音會影響電鏡工作，所以今天我們不提取數據。」王培毅教授的解釋讓記者大吃一驚——這些「身材魁梧」的「大傢伙」，原來是一點噪音都會受影響的「嬌小姐」!

　　因為冷凍電鏡十分精密，所以對環境的要求很嚴苛。據王培毅教授介紹，為了減少振動帶來的影響，機房的地面厚度約1米，且是獨立建設的，跟周圍建築物完全分離，甚至連空調的風速都必須嚴格監控。機房內必須經過嚴格的消磁，在裡面是沒有手機信號的。機房內的溫度、溼度都恆定，溫度變化每小時不超過0.2℃。還有一個房間專門用來製作樣品，房間內的溼度保持在20%，因為只有在這樣相對乾燥的環境裡才能保證樣品的質量。如此小心翼翼地「伺候」，就是為了讓冷凍電鏡更好地運轉、工作。要知道，除了每個月兩天的維護、保養時間外，冷凍電鏡可是24小時連軸轉的。

　　「冷凍電鏡與普通材料電鏡最大的不同在於，冷凍電鏡的結果是統計結果，需要大數據。普通的材料電鏡，拍一張照片就有結果，但冷凍電鏡需要拍成千上萬的照片，然後用統計學的方法把結果算出來。這也就說明了，為什麼一般機構購置冷凍電鏡都需要兩臺以上，因為它要解析一個樣品，需要幾十個小時甚至更長的電鏡時間。」冷凍電鏡的相機靈敏度有多高?王培毅教授打了一個比方——相當於在幾萬公裡的高空可以看到桌子上的一瓶水。這些高精度的照片存儲量驚人，「一臺電鏡一天就能採集2T以上的數據量」，而後的數據分析和解讀無疑也是一項巨大的工程。

　　期待中國原創靶向藥從這裡走出

　　這幾臺世界先進的「大傢伙」，究竟能為老百姓帶來什麼?

　　王培毅表示，在生活水平日益提高的情況下，健康成為人人關心的焦點。對於深圳而言，下一階段的城市發展，生物醫藥和健康產業將是巨大的「增長點」。南科大建設世界一流的冷凍電鏡中心，目的就是通過利用國際最先進的科學技術，發展基礎科學研究，聚焦重大疾病診斷、新藥開發、精準醫療、功能材料研發和基礎學科建設等領域，促進深圳新材料、醫療衛生、健康產業和高等教育的發展，同時積極服務於國家戰略需求，造福百姓。

　　儘管冷凍電鏡未來在許多領域都有很大的應用空間，但在王培毅心目中，冷凍電鏡研究的終極目標還是為了人類的健康事業。「想要解決重大的疑難疾病的治療問題，就必須要研發藥物，然而藥物的研發過程極其漫長，從研發到上市一般需要歷經十年。治療白血病的藥物研發前後則是經歷了近100年。而冷凍電鏡可以通過低溫冷凍技術，觀察活的原始樣本，進而用於研究致病機理，例如發現癌症的致病機理，從而推動癌症等重大疾病的診斷和治療，極大地縮短製藥的時間。」王培毅教授說，自己的最大心願就是縮短靶向藥物的研發時間，助力中國研發自己的原創藥。

　　除了生命科學領域的課題外，目前南科大冷凍電鏡中心的研究重點還有新能源和新型化合物。此外，實驗室還將積極開展多學科交叉研究，並與學校已經建成的X射線晶體學平臺、生物質譜蛋白質組學分析平臺形成互補，開展國際上最前沿的蛋白質科學研究，為結構生物學、細胞生物學、神經科學，化學、材料科學等領域搭建交叉學科平臺。

　　「各個學科對於冷凍電鏡的需求是十分巨大的。目前我們還未全面對外開放，但排隊的樣品已經排到了春節以後。」這個春節，王培毅教授和他的團隊將在忙碌中度過了??

　　小資料

　　冷凍電鏡

　　2017年諾貝爾化學獎，授予了瑞士科學家雅克·杜博歇、美國科學家約阿希姆·弗蘭克以及英國科學家理察·亨德森，以表彰他們在冷凍顯微術領域的貢獻。

　　理察·亨德森上世紀90年代改進了傳統電子顯微鏡，取得了原子級解析度的圖像;約阿希姆·弗蘭克在上世紀七八十年代開發了一種圖像合成算法，能將電子顯微鏡模糊的二維圖像合成清晰的三維圖像;雅克·杜博歇發明了迅速將液體水冷凍成玻璃態以使生物分子保持自然形態的技術。這些發明使低溫冷凍電子顯微鏡的各部件得到優化。

　　2013年以來，低溫冷凍電子顯微鏡日漸成熟並獲得廣泛應用。如今研究者可以在生物分子的生命周期內對其進行冷凍和成像，將以往不為人知的分子生命狀態呈現出來。