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最新出炉:2017年诺贝尔化学奖揭晓!

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北京时间10月4日17时45分左右,2017年诺贝尔化学奖正式揭晓!2017诺贝尔化学奖被授予瑞士洛桑大学的Jacques Dubochet、美国哥伦比亚大学的Joachim Frank和英国剑桥大学的Richard Henderson,三者将均分900万瑞士克朗的奖金。他们的获奖理由是“研发冷冻电子显微镜,用于测定溶液中生物大分子高分辨率结构”。

Jacques Dubochet, born 1942 in Aigle, Switzerland. Ph.D. 1973, University of Geneva and University of Basel, Switzerland. Honorary Professor of Biophysics, University of Lausanne, Switzerland. 

Joachim Frank, born 1940 in Siegen, Germany. Ph.D. 1970, Technical University of Munich, Germany. Professor of Biochemistry and Molecular Biophysics and of Biological Sciences, Columbia University, New York, USA

Richard Henderson, born 1945 in Edinburgh, Scotland. Ph.D. 1969, Cambridge University, UK. Programme Leader, MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, UK.

 什么是冷冻电镜技术?

20世纪80年代,Dubochet等人报道了一种单粒子电子显微镜技术革新成果,将该技术引向了高分辨率成像之路。他们在低温条件(cryogenic conditions)下将待检样品放在一层薄薄的、透明的冰上用单粒子电子显微镜进行成像观察。这种方法就是所谓的“低温冷冻电镜技术(cryo–electron microscopy, cryo-EM)”,他能够对含水的粒子(hydrated particles)进行直接成像。低温除了具有这些优势之外,还能够减少电子束对样品产生的放射性损害。不过电子束的照射量还是不能够太大,只有这样才能够清晰地反映出分子结构的细节,获得高质量的、低信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)的三维结构图像。由于将每个分子的多张图像信息组合在一起能够更进一步地降低图像的信噪比,所以,对数万、乃至数百万个蛋白质复合体进行分析就会产生数十万张图像。

不过依靠低温冷冻电镜图像来判断生物大分子的结构给计算机处理分析工作带来了一大挑战。在借助多图像组合平均手段来改善信噪比时,必须知道每一颗粒子的方向,但是由于信噪比太低,我们对这些粒子方向的判断又明显感觉准确性不够,这就形成了一个矛盾。要解决这个问题,最成功的方法就是“重复(iterative)”,质量高的图像能够给出更准确的方向信息,而这些方向信息又可以帮助我们获得更高质量的图像。

在过去的三十年,低温冷冻电镜设备取得了长足的进展,在样品制备、成像、计算机处理等实验技术方面有了一定的提升,这些使低温冷冻电镜成像技术的分辨率有了极大的提高。高度连贯的场发射电子枪(Highly coherent feld-emission electron guns)也使保留焦点以外的图像的高分辨率信息成为可能,这对于单粒子低温冷冻电镜非常有帮助。这种技术创新帮助科研人员获得了20面体病毒粒子(icosahedral virus particles)的图像,而且清楚地看到了其中的α螺旋结构。由于这种病毒是高度对称的,所以比较容易生成高质量的、最佳分辨率的低温冷冻电镜图像。

随着研究人员不断地开发出更稳定的载物台、更好的显微镜抽真空技术,以及自动化的数据采集系统,这一切的技术进步都让我们能够获得更多、质量更好的电镜图像,因此才能够得到高质量的、能够对其中的氨基酸侧链进行解析的二十面体病毒粒子三维结构图像,以及分辨率达到5埃的核糖体结构图像。不过在对更小一点的非对称粒子的解析工作中还是很难解析到α螺旋结构。

最近在低温冷冻电镜设备领域取得的最大进展就是引入了直接检测设备(direct detector device, DDD)照相机。这种DDD设备能够直接在传感器上记录图像,从而绕过了传统的、需要闪烁设备和光纤的电荷耦合装置(charge-coupled device, CCD)探测器,以及其他一些在用摄影胶片(photographic film)记录图像时必须要经过的繁杂的处理过程。因此,图像的信噪比也得到了极大的提升。在分辨率方面的提升也与之前的一些革新手段相当。在使用了DDD设备之后,还有可能在电镜图像中直接构建原子模型,甚至能够在最具挑战性的检测工作中进行α螺旋和β折叠的解析工作。

DDD设备的引入还在另外一个方面对低温冷冻电镜的图像起到了改善作用,凭借的就是该设备极快的读出速度(readout rate),该读出速度能够发现被冰包裹的被观测粒子在电子束中的运动情况。使用DDD设备不仅能够发现这种问题,还能够解决这种问题,因为现在的电镜就好像是一台摄像机,可以拍摄一段录影,记录整个过程,而不再像以前那样,只是一台照相机,只能够拍摄出一张张固定的图像。

有了高质量的图像,又有可以借助计算机对因为电子束而移位的粒子进行矫正的工具,我们就可以获得大量高质量的低温冷冻电镜图像,比如本文开头展示的那张分辨率高达3.2埃的线粒体核糖体亚单位图像,以及下图那张分辨率达到3.3埃的20S蛋白酶体图像和哺乳动物感受器通道TRPV1的图像。 TRPV1的图像尤其值得一提,因为TRPV1蛋白是一种膜蛋白,只有四级对称性(four-fold symmetry),比核糖体要小一个数量级。所以之前大家一直都认为很难用低温冷冻电镜对该蛋白进行结构解析的研究工作。有了 DDD成像技术、更好的计算机辅助和生物化学技术之后,Liao等人终于在某些区域获得了分辨率高达3.4埃的图像,从而有机会开展原子建模工作,在整个结构生物学(structural biology)发展历史上写下了重重的一笔。

(消息来源:诺贝尔奖官网、科学网)


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