一個(gè)約3米高的龐大金屬箱正通過(guò)消失在屋頂上的橙色粗電纜，靜悄悄地發(fā)射兆兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。這是全球最先進(jìn)的冷凍電子顯微鏡之一：一臺(tái)利用電子束為冷凍的生物分子成像并揭秘其分子形狀的設(shè)備。英國(guó)醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（LMB）結(jié)構(gòu)生物學(xué)家SjorsScheres像個(gè)矮子一樣站在這臺(tái)價(jià)值500萬(wàn)英鎊（合770萬(wàn)美元）的設(shè)備旁邊介紹說(shuō)，這臺(tái)顯微鏡非常敏感，以至于一個(gè)叫喊聲就能毀掉試驗(yàn)。
在全球?qū)嶒?yàn)室中，類(lèi)似這樣的冷凍電鏡正影響著結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域。過(guò)去3年里，它們揭示了制造蛋白的核糖體細(xì)節(jié)，而這些發(fā)現(xiàn)正在以飛快的速度發(fā)表于頂級(jí)期刊。結(jié)構(gòu)生物學(xué)家們毫不夸張地認(rèn)為，他們的領(lǐng)域正處于一場(chǎng)革命當(dāng)中：冷凍電鏡能快速創(chuàng)建那些抗拒X射線(xiàn)結(jié)晶學(xué)和其他方法的分子的高分辨率模型。與此同時(shí)，利用此前技術(shù)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的實(shí)驗(yàn)室正爭(zhēng)先恐后地學(xué)習(xí)這種“新貴”方法。
挑戰(zhàn)“王者”
當(dāng)1973年生物學(xué)家Richard Henderson到LMB研究一種被稱(chēng)為菌視紫紅質(zhì)的蛋白時(shí)，利用光能量推動(dòng)質(zhì)子穿過(guò)細(xì)胞膜的X射線(xiàn)結(jié)晶學(xué)是毫無(wú)疑問(wèn)的“王者”。Henderson和他的同事Nigel Unwin利用這種蛋白制成二維晶體，但它們并不適合X射線(xiàn)衍射。因此，兩人決定嘗試電子顯微鏡。
當(dāng)時(shí)，電子顯微鏡用于研究被重金屬染色劑處理過(guò)的病毒或組織切片。一束電子被射向樣品，其中掙脫開(kāi)來(lái)的電子被探測(cè)到并用于描繪它們所撞入的材料結(jié)構(gòu)。這種方法產(chǎn)生了煙草病菌的首幅清晰圖像，但染色劑使觀察單個(gè)蛋白變得困難，更不用說(shuō)X射線(xiàn)所能揭示的原子水平上的細(xì)節(jié)。
在一個(gè)關(guān)鍵步驟中，當(dāng)Henderson和Unwin利用電子顯微鏡對(duì)菌視紫紅質(zhì)的晶片進(jìn)行成像時(shí)，他們省略了染色劑，相反把晶體放在金屬網(wǎng)格上，以便使蛋白凸顯出來(lái)?！澳隳芸吹降鞍字械脑印！焙蚒nwin在1975年發(fā)表了菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)的Henderson介紹說(shuō)?！斑@是一個(gè)巨大的進(jìn)步?！泵绹?guó)加州大學(xué)舊金山分校細(xì)胞生物學(xué)家DavidAgard表示，“這就是說(shuō)，利用電子顯微鏡研究蛋白結(jié)構(gòu)將成為可能?！?/span>
冷凍電鏡領(lǐng)域在上世紀(jì)八九十年代得到發(fā)展。一個(gè)關(guān)鍵進(jìn)步是將液態(tài)乙烷用于瞬間凍結(jié)溶液中的蛋白并使其保持靜止。不過(guò)，通常情況下，這種技術(shù)仍然只能將蛋白結(jié)構(gòu)解析到10埃（1埃相當(dāng)于1納米的十分之一）的分辨率——與X射線(xiàn)晶體學(xué)超過(guò)4埃的模型相比并沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足將這些結(jié)構(gòu)用于藥物設(shè)計(jì)的要求。當(dāng)諸如美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院等資助者把上億美元投資到野心勃勃的晶體學(xué)項(xiàng)目時(shí)，對(duì)冷凍電鏡的資助遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于此。1997年，當(dāng)Henderson參加關(guān)于3D電子顯微鏡的年度高登研究會(huì)議時(shí)，一位同事在開(kāi)幕式上發(fā)表了頗有挑釁意味的聲明：冷凍電鏡是一種“小生境”方法，不可能取代X射線(xiàn)晶體學(xué)。不過(guò)，Henderson能看到一個(gè)不同的未來(lái)，并且在隨后的演講中進(jìn)行了反駁。“當(dāng)時(shí)我說(shuō)，我們應(yīng)當(dāng)讓冷凍電鏡在全球統(tǒng)治所有結(jié)構(gòu)學(xué)方法?！彼貞浀?。
革命從此開(kāi)始
此后第二年，Henderson、Agard和其他冷凍電鏡的狂熱支持者有條不紊地實(shí)現(xiàn)了各種技術(shù)改善，尤其是找到了感知電子的更好方法。在數(shù)碼相機(jī)風(fēng)靡世界很久之后，很多電子顯微鏡專(zhuān)家仍然偏好過(guò)時(shí)的膠片，因?yàn)樗鼙葦?shù)字傳感器更高效地記錄電子。不過(guò)，和顯微鏡生產(chǎn)廠商一道，研究人員開(kāi)發(fā)出遠(yuǎn)超膠片和數(shù)碼相機(jī)探測(cè)器的新一代直接電子探測(cè)器。
這些從2012年左右獲得應(yīng)用的探測(cè)器，能以每秒幾十幀的速率捕捉單一分子的速射圖像。與此同時(shí)，諸如Scheres等研究人員編寫(xiě)了復(fù)雜的軟件程序，將上千幅2D圖像轉(zhuǎn)變成在很多情況下可與晶體學(xué)解析的分子圖像質(zhì)量相媲美的3D模型。
冷凍電鏡適合能忍受電子轟擊而不會(huì)四處晃動(dòng)的穩(wěn)定、大型分子，因此通常由幾十個(gè)蛋白制成的分子機(jī)器是很好的目標(biāo)。而研究證明，沒(méi)有什么比由RNA相互纏繞支撐的核糖體更加合適了。通過(guò)X射線(xiàn)晶體學(xué)解析核糖體結(jié)構(gòu)的方法，讓3位化學(xué)家獲得了2009年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。過(guò)去幾年里，不同的研究團(tuán)隊(duì)迅速發(fā)表了來(lái)自眾多生物體的核糖體冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，包括首個(gè)人類(lèi)核糖體高分辨率模型。在由分享了2009年諾貝爾獎(jiǎng)的Venki Rama krishnan領(lǐng)導(dǎo)的LMB實(shí)驗(yàn)室，X射線(xiàn)晶體學(xué)在很大程度上變得無(wú)人問(wèn)津。他認(rèn)為，對(duì)于大型分子來(lái)說(shuō)，“冷凍電鏡將大幅取代晶體學(xué)技術(shù)的預(yù)測(cè)是可靠的”。
在全球?qū)嶒?yàn)室中，類(lèi)似這樣的冷凍電鏡正影響著結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域。過(guò)去3年里，它們揭示了制造蛋白的核糖體細(xì)節(jié)，而這些發(fā)現(xiàn)正在以飛快的速度發(fā)表于頂級(jí)期刊。結(jié)構(gòu)生物學(xué)家們毫不夸張地認(rèn)為，他們的領(lǐng)域正處于一場(chǎng)革命當(dāng)中：冷凍電鏡能快速創(chuàng)建那些抗拒X射線(xiàn)結(jié)晶學(xué)和其他方法的分子的高分辨率模型。與此同時(shí)，利用此前技術(shù)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的實(shí)驗(yàn)室正爭(zhēng)先恐后地學(xué)習(xí)這種“新貴”方法。
挑戰(zhàn)“王者”
當(dāng)1973年生物學(xué)家Richard Henderson到LMB研究一種被稱(chēng)為菌視紫紅質(zhì)的蛋白時(shí)，利用光能量推動(dòng)質(zhì)子穿過(guò)細(xì)胞膜的X射線(xiàn)結(jié)晶學(xué)是毫無(wú)疑問(wèn)的“王者”。Henderson和他的同事Nigel Unwin利用這種蛋白制成二維晶體，但它們并不適合X射線(xiàn)衍射。因此，兩人決定嘗試電子顯微鏡。
當(dāng)時(shí)，電子顯微鏡用于研究被重金屬染色劑處理過(guò)的病毒或組織切片。一束電子被射向樣品，其中掙脫開(kāi)來(lái)的電子被探測(cè)到并用于描繪它們所撞入的材料結(jié)構(gòu)。這種方法產(chǎn)生了煙草病菌的首幅清晰圖像，但染色劑使觀察單個(gè)蛋白變得困難，更不用說(shuō)X射線(xiàn)所能揭示的原子水平上的細(xì)節(jié)。
在一個(gè)關(guān)鍵步驟中，當(dāng)Henderson和Unwin利用電子顯微鏡對(duì)菌視紫紅質(zhì)的晶片進(jìn)行成像時(shí)，他們省略了染色劑，相反把晶體放在金屬網(wǎng)格上，以便使蛋白凸顯出來(lái)?！澳隳芸吹降鞍字械脑印！焙蚒nwin在1975年發(fā)表了菌視紫紅質(zhì)結(jié)構(gòu)的Henderson介紹說(shuō)?！斑@是一個(gè)巨大的進(jìn)步?！泵绹?guó)加州大學(xué)舊金山分校細(xì)胞生物學(xué)家DavidAgard表示，“這就是說(shuō)，利用電子顯微鏡研究蛋白結(jié)構(gòu)將成為可能?！?/span>
冷凍電鏡領(lǐng)域在上世紀(jì)八九十年代得到發(fā)展。一個(gè)關(guān)鍵進(jìn)步是將液態(tài)乙烷用于瞬間凍結(jié)溶液中的蛋白并使其保持靜止。不過(guò)，通常情況下，這種技術(shù)仍然只能將蛋白結(jié)構(gòu)解析到10埃（1埃相當(dāng)于1納米的十分之一）的分辨率——與X射線(xiàn)晶體學(xué)超過(guò)4埃的模型相比并沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足將這些結(jié)構(gòu)用于藥物設(shè)計(jì)的要求。當(dāng)諸如美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院等資助者把上億美元投資到野心勃勃的晶體學(xué)項(xiàng)目時(shí)，對(duì)冷凍電鏡的資助遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于此。1997年，當(dāng)Henderson參加關(guān)于3D電子顯微鏡的年度高登研究會(huì)議時(shí)，一位同事在開(kāi)幕式上發(fā)表了頗有挑釁意味的聲明：冷凍電鏡是一種“小生境”方法，不可能取代X射線(xiàn)晶體學(xué)。不過(guò)，Henderson能看到一個(gè)不同的未來(lái)，并且在隨后的演講中進(jìn)行了反駁。“當(dāng)時(shí)我說(shuō)，我們應(yīng)當(dāng)讓冷凍電鏡在全球統(tǒng)治所有結(jié)構(gòu)學(xué)方法?！彼貞浀?。
革命從此開(kāi)始
此后第二年，Henderson、Agard和其他冷凍電鏡的狂熱支持者有條不紊地實(shí)現(xiàn)了各種技術(shù)改善，尤其是找到了感知電子的更好方法。在數(shù)碼相機(jī)風(fēng)靡世界很久之后，很多電子顯微鏡專(zhuān)家仍然偏好過(guò)時(shí)的膠片，因?yàn)樗鼙葦?shù)字傳感器更高效地記錄電子。不過(guò)，和顯微鏡生產(chǎn)廠商一道，研究人員開(kāi)發(fā)出遠(yuǎn)超膠片和數(shù)碼相機(jī)探測(cè)器的新一代直接電子探測(cè)器。
這些從2012年左右獲得應(yīng)用的探測(cè)器，能以每秒幾十幀的速率捕捉單一分子的速射圖像。與此同時(shí)，諸如Scheres等研究人員編寫(xiě)了復(fù)雜的軟件程序，將上千幅2D圖像轉(zhuǎn)變成在很多情況下可與晶體學(xué)解析的分子圖像質(zhì)量相媲美的3D模型。
冷凍電鏡適合能忍受電子轟擊而不會(huì)四處晃動(dòng)的穩(wěn)定、大型分子，因此通常由幾十個(gè)蛋白制成的分子機(jī)器是很好的目標(biāo)。而研究證明，沒(méi)有什么比由RNA相互纏繞支撐的核糖體更加合適了。通過(guò)X射線(xiàn)晶體學(xué)解析核糖體結(jié)構(gòu)的方法，讓3位化學(xué)家獲得了2009年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。過(guò)去幾年里，不同的研究團(tuán)隊(duì)迅速發(fā)表了來(lái)自眾多生物體的核糖體冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，包括首個(gè)人類(lèi)核糖體高分辨率模型。在由分享了2009年諾貝爾獎(jiǎng)的Venki Rama krishnan領(lǐng)導(dǎo)的LMB實(shí)驗(yàn)室，X射線(xiàn)晶體學(xué)在很大程度上變得無(wú)人問(wèn)津。他認(rèn)為，對(duì)于大型分子來(lái)說(shuō)，“冷凍電鏡將大幅取代晶體學(xué)技術(shù)的預(yù)測(cè)是可靠的”。
