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  2017年度的諾貝爾化學(xué)獎10月4日授予賈克·杜伯謝（Jacques Dubochet）、約阿希姆·弗蘭克（Joachim Frank）和理查德·亨德森（Richard Henderson），表彰他們在開發(fā)用于溶液中生物分子高分辨率結(jié)構(gòu)測定的冷凍電鏡技術(shù)。3名科學(xué)家分別來自瑞士、美國和英國，他們將共同分享900萬瑞典克朗(約合人民幣738.49萬元)獎金。

3名科學(xué)家的早期貢獻(xiàn)

  冷凍電鏡（Cryo-EM）慣稱低溫電子顯微鏡技術(shù)，是指在低溫下通過使用透射電子顯微鏡去觀察實(shí)驗(yàn)樣品的顯微技術(shù)，它與X射線晶體學(xué)、核磁共振一起構(gòu)成了高分辨率結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究基礎(chǔ)。

  來自諾貝爾獎委員會的官網(wǎng)介紹說，冷凍電鏡這項(xiàng)技術(shù)簡化并大幅度提升了生物分子成像的質(zhì)量，將生物化學(xué)研究帶入一個嶄新的時代。此次獲諾貝爾化學(xué)獎的三位科學(xué)家分別在冷凍電鏡基本理論、重構(gòu)算法和實(shí)驗(yàn)方面作出了早期重要貢獻(xiàn)。

  長期以來，人們認(rèn)為電子顯微鏡只能用于死亡物質(zhì)成像，因?yàn)閺?qiáng)大的電子束破壞了生物材料。但在1990年，理查德?亨德森成功利用電子顯微鏡在原子分辨率上生成了蛋白質(zhì)的三維圖像。這一突破證明了該技術(shù)的潛力。

冷凍電鏡在2013年的技術(shù)革命

  通常，圖像顯示是研究人員對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析的關(guān)鍵，約阿希姆?弗蘭克讓這項(xiàng)技術(shù)普及應(yīng)用。1975年到1986年間，他開發(fā)的圖像處理方法使得電子顯微鏡的模糊2D結(jié)構(gòu)圖被分析和合并，生成清晰的三維圖像。

  快速冷凍，可以使蛋白質(zhì)和所在水溶液環(huán)境迅速從溶液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)，而玻璃態(tài)則可以使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)保持其天然狀態(tài)。“假如以溫和緩慢的方式進(jìn)行冷凍，這樣便會形成晶體冰過程，生物分子的結(jié)構(gòu)將會被損壞。”而為了在高倍鏡下觀察到生物分子的結(jié)構(gòu)性分離，賈克?杜伯謝將水加入了電子顯微鏡。上世紀(jì)80年代早期，杜伯謝通過快速降溫，讓水在生物樣本中固化，使得生物分子能夠在真空中保持其自然形態(tài)。

冷凍電鏡數(shù)據(jù)分析處理流程

生物化學(xué)突破，技術(shù)應(yīng)用常態(tài)化

  技術(shù)升級和創(chuàng)新使得電子顯微鏡每一個“螺母和螺栓”結(jié)構(gòu)部件都得到了優(yōu)化。2013年，科學(xué)家們成功實(shí)現(xiàn)了符合生物分子原子分辨率的指標(biāo)，這項(xiàng)技術(shù)突破給結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域帶來一次革新。許多長期無法解決的重要大型復(fù)合體及膜蛋白的原子分辨率結(jié)構(gòu)被攻克。

  現(xiàn)在，使用冷凍電鏡技術(shù)分析生物分子三維結(jié)構(gòu)已成為科學(xué)家們的常規(guī)做法。近年來，從導(dǎo)致抗生素耐藥性的蛋白質(zhì)到寨卡病毒的表面，科學(xué)文獻(xiàn)中充滿著各種圖像數(shù)據(jù)。生物化學(xué)目前正面臨著爆炸性的發(fā)展，未來令人興奮。

  事實(shí)上，諾貝爾化學(xué)獎自設(shè)立以來，它的研究成果一直在普惠于人類生活。北京生命科學(xué)研究所研究員何萬中說，3名科學(xué)家因冷凍電鏡技術(shù)獲得諾貝爾化學(xué)獎乃是實(shí)至名歸。

  “亨德森博士憑借他深厚的物理學(xué)及電子顯微學(xué)功底，提出實(shí)現(xiàn)原子分辨率冷凍電鏡技術(shù)的可行性，在理論上做了一系列超前的預(yù)見。”何萬中撰文分析說，在電鏡分辨率的技術(shù)革命中，亨德森是個不折不扣的發(fā)起者。

  “我們現(xiàn)在有一條狗每天早晨起床特別早，我是被狗的聲音叫醒的。但這一次被叫醒的是諾貝爾獎電話消息，我很開心。”約阿希姆?弗蘭克在獲得諾獎后說。理查德?亨德森在獲諾獎后接受電話采訪時描述了冷凍電鏡技術(shù)為何如此重要，稱冷凍電鏡技術(shù)打開了一個無與倫比的結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域。

  自1901年至今，諾貝爾化學(xué)獎共頒發(fā)109次，授予了178位得主。已故英國生物化學(xué)家弗雷德里克?桑格（Frederick Sanger）是唯一在1958年和1980年兩次獲得該獎項(xiàng)的科學(xué)家，這意味著百余年來共有177人獲得諾貝爾化學(xué)獎。