诺贝尔化学奖揭晓:发展分子结构冷冻电镜技术获奖

用于生物分子研究的冷冻电镜技术

我们或许即将获得有关生命复杂机制在原子层面分辨率的详细图像。2017年的诺贝尔化学奖授予雅克·杜邦内特、约阿希姆·弗兰克以及理查德·亨德森,他们开发了冷冻电镜技术,这项技术简化并大大提升了生物分子成像的质量,从而将生物化学领域带入了一个崭新的时代。

图像是理解的关键。科学上的突破常常源自对于人类肉眼不可见的物体实现成功的可视化。然而,我们关于生物化学方面的地图却长期以来一直充斥着大片的空白,因为我们现有的技术在对生物分子进行结构成像时遭遇严重困难。冷冻电镜技术的出现改变了这一切。研究人员现在可以将运动着的生物分子进行冷冻并将他们前所未见的过程机制进行成像,这不仅对于生命化学过程基本机制的理解,对于制药等领域也都是至关重要的。

电子显微镜长期以来一直被认为只适用于对“死的物质”,或者说静止的物质进行成像,因为强大的电子束流会破坏脆弱的生物材料。但在1990年,理查德·亨德森成功地使用电子显微镜得到了原子层面分辨率的蛋白质三维结构图像。这一成就证明了这项技术的巨大潜力。

约阿希姆·弗兰克让这项技术进一步实用化。在1975年到1986年期间,他开发了一套图像处理方法,能够对电子显微镜获得的模糊二维图像进行分析并产生精细的三维图像。

雅克·杜邦内特将水加入了电子显微镜。在1980年代早期,杜邦内特成功实现了“水的玻璃化”——通过快速降温,他让水在保持液态的前提下在生物样本周围迅速固态化,从而让生物分子能够在真空腔内保持其自然状态下的形态。

在这些基础之上,电子显微镜的各种结构部件都经过了优化设计,终于在2013年,科学家们实现了符合指标的原子层面分辨率。现在,科学家们使用冷冻电镜技术分析生物分子三维结构已经是一种常规做法。在过去的数年间,生物科学论文中到处都是这样的图像——从研究导致抗药性的蛋白质结构,到寨卡病毒的外观图像。生物化学正迎来一次大爆发,迎接光辉的未来。(晨风)

三位获奖者都是谁:

雅克·杜邦内特

雅克·杜邦内特(Jacques Dubochet),1942年出生于瑞士Aigle地区,1973年,取得瑞士日内瓦大学和巴塞尔大学博士学位,目前是瑞士洛桑大学生物物理学名誉教授。


约阿希姆·弗兰克

约阿希姆·弗兰克(Joachim Frank),1940年出生于德国Siegen地区,1970年,取得德国慕尼黑工业大学博士学位,目前是美国哥伦比亚大学生物化学、分子生物物理学和生物科学教授。


理查德·亨德森

理查德·亨德森(Richard Henderson),1945年出生于苏格兰爱丁堡,1969年取得英国剑桥大学博士学位,目前是英国剑桥大学MRC分子生物实验室项目负责人。

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