冷凍電鏡新技術的不斷湧現將為蛋白質科學、生物醫學及細胞生物學的發展提供更大的機遇。在國家大力倡導新基建的背景下，建設電鏡中心等先進產業創新基礎設施必將有效推動上海及張江生物蛋白質科學和生物醫藥產業的快速發展。
文/許文青 叢 堯 王 權
冷凍電鏡（cryo-electron microscopy,cryo-EM）技術是將生物大分子在毫秒時間尺度內快速冷凍在玻璃態的冰中，應用低溫透射電子顯微鏡收集生物大分子的二維投影，並利用三維重構的方法得到大分子三維精細結構的生物物理學技術。作為當前結構生物學領域最為前沿的成像技術之一，冷凍電鏡技術已經能夠將生物大分子複合體的結構解析能力拓展至原子解析度水平，特別適用於解析複雜的超大分子複合體的三維精細結構及動態結構，在小分子藥物及疫苗的開發中亦顯露出巨大的潛力。
2013年以前（藍色部分）和當前（黃色部分）冷凍電鏡解析度對比
冷凍電鏡技術及其發展歷史
蛋白質的三維結構決定了其功能，在冷凍電鏡技術發展以前，一般是用重金屬鹽覆蓋目標生物大分子，應用常溫負染透射電鏡進行觀察，解析度較低。20世紀70年代末期到80年代初，瑞士洛桑大學雅克?杜博歇（Jacques Dubochet）教授通過使用液氮冷卻的液態乙烷可以在毫秒之內實現生物樣品的快速冷凍，製作不形成冰晶體的玻璃態冰包埋的生物樣品，樣品接近其天然形態，並可有效抵禦電子的輻照損傷。美國哥倫比亞大學約阿希姆?弗蘭克（Joachim Frank）教授建立了冷凍電鏡單顆粒三維重構技術。英國劍橋大學理察?亨德森（Richard Henderson）教授建立並使用二維電子晶體學技術得到了第一個膜蛋白視紫紅質蛋白的三維結構，近年來致力於直接電子探測技術的發展和應用。上述開拓性的工作共同奠定了冷凍電鏡技術發展的基礎。經歷幾十年的技術積累和硬體發展，2013年，隨著直接電子探測技術的發展，冷凍電鏡技術迎來了「解析度革命」，經美國科學院外籍院士程亦凡等科學家的努力，解析精度獲得了近原子解析度的突破性進步。2017年，杜博歇、弗蘭克和亨德森這3位科學家也憑藉其在冷凍電鏡技術建立過程中發揮的開創性作用獲得了諾貝爾化學獎。隨後，世界範圍內掀起了基於冷凍電鏡技術的蛋白質結構生物學研究的新熱潮，湧現出眾多的高水平研究成果，技術本身也進入了軟硬體發展的快速迭代通道。由於該技術可直接獲得複合體在接近生理條件下的結構，不需要蛋白質結晶，尤其適用於解析極具挑戰性的、龐大的、具有一定動態性的生物大分子複合體的精細結構，近年來已成為解析生物大分子三維結構的最重要手段。目前，佔據主要位置的單顆粒分析方法（Single Particle Analysis，SPA）解析精度已推進到原子解析度水平（0.12～0.22納米），成為結構生物學研究的最有力工具，展現出極大的應用潛力。
值得注意的是，與單顆粒分析方法相補充，在更大尺度上冷凍電子斷層成像（cryo-Electron Tomography，cryo-ET）技術近幾年來隨著聚焦離子束（Focused Ion Beam，FIB）減薄技術和相位板等技術的發展，以及光鏡-電鏡結合實現樣品定位等策略的應用，對生物超大分子機器及細胞器等在體原位信息的解析水平也有了極大的提升（局部平均後已經達到亞納米甚至近原子解析度水平）。相信冷凍電子斷層成像技術將推動細胞生物學中超微精細結構觀測及其作用網絡分析的革命性進步。
冷凍電鏡是生物醫藥研究的強力發動機
疫情期間防疫碼的推出使城市的精細化防疫管理變得更為現實，防疫碼背後基於的是衛生健康、民航、鐵路以及地理位置信息等多數據源的大數據原理，是健康大數據的最典型應用。
疫情呼喚醫療大數據。疫情當口，中國工程院院士鍾南山與騰訊公司宣布了與大數據有關的合作，雙方共同成立大數據及人工智慧聯合實驗室，重點關注流行病篩查、流行病疫情預測預警等領域。騰訊公司還進一步研發醫療聯邦學習框架，在保護不同醫院數據隱私的前提下完成疾病預測模型，為醫療大健康的各種潛在應用如慢性疾病防控、疾病早篩、醫保控費等探索新方向。
疫情期間湧現的各類大數據應用讓整個社會看到了醫療大數據的真實價值，以往還是落在口頭的醫療大數據已經開始展現應用價值。在抗疫的推動下，以往叫喊多年難以解決的醫療信息孤島在多部門協同下局部地、以火箭般的速度被打通，這給各級決策層都上了非常生動的一課。在新基建的驅動下，後疫情時代的醫療大數據的建設無疑會被提速。
同樣將受益於新基建的還有人工智慧醫療技術，基於醫學影像等的疾病早篩、輔助診斷等在糖尿病性視網膜病變、早期肺癌篩查、心臟風險預警乃至疫情期間的新冠肺炎人工智慧輔助檢測等諸多領域都已經取得了較為顯著的進展。「平安好醫生」多年來在人工智慧輔助諮詢領域更是取得了數億人次線上問診的實績。
人工智慧對解決醫療資源供給端的不足有著巨大的應用潛力，已經成為行業的共識。不過，人工智慧在醫療行業的落地尚有兩個待解決的問題。一是如何不斷完善並提升人工智慧醫療技術，提升診斷方案在不同場景不同數據源下的準確性。二是如何實現規模型的商業化落地應用。新基建政策的推出在這兩個方面都將有利於推動人工智慧醫療技術的升級以及商業化。
建立上海冷凍電鏡中心將成為上海及張江地區蛋白質科學及醫藥研發的利器
冷凍電鏡設施的場地對震動和周邊磁場強度有特殊要求，需要一定的建設周期，更需要專業的管理人員運維。因此，在國際冷凍電鏡領域已形成共識，即建立大型冷凍電鏡中心進行集中建設和運維管理，對核心和周邊地區的科研和商業用戶開放共享並提供設備及數據採集服務，是最有效的科技投資和資源整合方式，並已逐漸成為國際主流。美國依託史丹福大學的SLAC國家加速器實驗室（SLAC National Accelerator Laboratory）建立了西南地區的國家級冷凍電鏡中心，還有位於東部的紐約結構生物學中心的冷凍電鏡中心；英國有國家Diamond光源的eBIC冷凍電鏡設施、英國醫學研究理事會（MRC）電鏡中心；德國有馬克斯?普朗克生物化學研究所電鏡設施。上述中心或設施普遍購置了3～4臺可用於高解析度數據收集的300千伏的Titan Krios冷凍透射電鏡及用於冷凍電子斷層重構的冷凍聚焦離子束cryo-FIB等配套設備。其中，SLAC電鏡中心近期又獲得美國國立衛生研究院（NIH）的資助，足夠再採購4臺Titan Krios，屆時將成為全美最大的冷凍電鏡中心。
位於張江的國家蛋白質科學中心（上海）的冷凍電鏡設施是國內第三家高端冷凍電鏡設施（另外兩家分別是清華大學和中國科學院生物物理研究所）。作為國家級的科研服務平臺，蛋白質中心（上海）電鏡分析系統面向全國用戶開放，從2014年夏開放運行至今，為來自復旦大學、上海交通大學、華東師範大學、北京大學、清華大學、中國科技大學、上海科技大學、浙江大學、中山大學、四川大學，中國科學院上海藥物研究所、生物化學與細胞生物學研究所、巴斯德研究所、植物生理生態研究所、上海有機化學研究所、遺傳與發育生物學研究所、生物物理研究所、微生物研究所，以及美國史丹福大學、英國MRC等近百家高校、研究所的高端科研用戶和羅氏等幾十家藥物研發公司提供了科研服務。截至目前，電鏡系統的用戶數量已超過300個，為科研任務提供了有力的保障。該設施的Titan Krios電鏡近4年來的平均對外開放機時達到6 854小時/年，在國內絕無僅有。電鏡系統運行以來成績斐然，藉助於平臺已經有一大批世界級成果在國際頂級期刊上發表，並有成果獲得國家級獎項或已轉化給疫苗公司，在國內外引起了巨大的反響。
《上海市推進新型基礎設施建設行動方案（2020—2022年）》提出「打破管理分割，依託蛋白質中心，組建電鏡中心，接入中科院重大科技基礎設施共享服務平臺，加快構建電鏡應用開放共享網絡，新增若干套冷凍電鏡，配備從毫電子伏特到千電子伏特能級的其他電鏡設備，提升對生物醫藥、新材料等產業的支撐能級」。這將成為推動上海及張江生物蛋白質科學和生物醫藥產業發展最為有效的投資。
許文青，國家蛋白質科學（上海）設施主任，上海科技大學教授。
叢堯，中國科學院分子細胞科學卓越創新中心/上海生化與細胞研究所研究員。
王權，上海科技大學電鏡中心主任，研究員。