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冷凍電鏡是什麼神器?曾助施一公獲諾獎級成果

10月
04
2017

2017年10月04日00時 今日科學 新浪

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三位科學家因冷凍電鏡技術分享2017年諾貝爾化學獎。冷凍電鏡曾成就無數科學家,其中包括施一公。它究竟是什麼神器?

Joachim Frank

哥倫比亞大學

Richard

Henderson 劍橋MRC分子生物學實驗室

曾幫施一公團隊獲諾獎級成果,冷凍電鏡是何方神器?

2015年8月21日,清華大學生命科學學院院長施一公帶領的研究團隊在《科學》在線發表了兩篇研究長文,揭示了剪接體結構及其工作機理。這一成果的發表可謂突破了世界性難題,而成果背後離不開一種叫作「冷凍電鏡」的儀器的幫忙,它是一種怎樣的「神器」?它又發揮了哪些作用呢?2015年9月《科技生活》周刊曾刊文解讀。

文/閆俊 新媒體編輯/陳炫之

諾獎級成果:「剪接體」結構被破解

首先,我們來了解下什麼是剪接體?這還得從基因表達說起。大千世界雖然無奇不有,但總的規則還是很明確的,比如人長得像人,貓長得像貓,兒子長得像爸爸(如果非親生要另當別論)。我們都知道,基因會決定物種和長相。一個新生命所攜帶的基因是由父母雙方給予的,一個受精卵從一個細胞慢慢長成一個人或一隻貓,這個過程就是他所攜帶的基因表達的過程,基因其實就是藏在細胞中的DNA,基因通過表達生成活性蛋白質,而這些蛋白質構成了我們的各個器官,我們的身體髮膚。

如下圖所示,基因的表達,是將DNA上的信息轉錄到一種叫核糖體的物質上,這個物質就是最初的信使RNA(mRNA),但這些轉錄過來的信息並不能全都表達出來,不能表達的部分被稱為內含子,這個時候就要讓剪接體登場了,它的作用是將這些內含子剪下來,使那些能表達出來的片段連在一起,形成成熟的信使RNA,信使RNA的所攜帶的信息經過翻譯表達,最終生成蛋白質。如果沒有剪接體,基因的表達就不能順利進行。

基因表達過程圖

剪接體在基因表達中的作用重大,了解它的結構和工作機理不僅可以對生命本身,也對一些遺傳性疾病增加了解和把握,之前也有許多科學家為了得到剪接體的結構而努力,但因其形態多變,成分複雜,一直未果。這一問題甚至被稱為「世界難題」。

世界難題被解,冷凍電鏡幫大忙

為什麼研究多年的世界難題會被施一公團隊解開?施一公教授在接受採訪時說:「如果沒有冷凍電鏡技術,就完全不可能得到剪接體近原子水平的解析度。」

中國科學院生物物理所研究員朱平曾在接受媒體採訪時表示,冷凍電鏡技術是結構生物學研究的利器。冷凍電鏡就是應用冷凍固定技術,使用透射電子顯微鏡觀察樣品的顯微技術。這裡提到兩個問題,一是冷凍固定技術,二是顯微技術,最後要得出圖像數據,還需要數據收集和處理的技術。

究竟這次科學實驗中用到的冷凍電鏡技術是何方神器?它是如何構建出剪接體的三維結構的?首先,科研人員要選好樣品,並在高壓冷凍儀(如圖一)中進行冷凍制樣。「冷凍電鏡中的冷凍技術可以瞬間冷凍樣品,並在冷凍狀態下保持和轉移,使樣品最大限度保持原來性狀,得出的數據更準確,實驗成功率才更高。」中科院遺傳發育所研究員姜韜告訴記者。

高壓冷凍儀

然後科研人員要把凍好的樣品放在電子顯微鏡的樣品放置處,就可以進行觀察了。施一公團隊科研所用的電子顯微鏡屬於世界尖端儀器,是美國FEI公司研發的Titan Krios(如圖二),它被包裹在一個「小房間」里,科學家需要通過計算機遠程控制操作來觀察。據中科院生物物理所研究員孫飛介紹,這樣做可以防磁防震,保證儀器的精密。

Titan Krios

電子顯微鏡

接下來,就需要對顯微鏡觀察後產生的圖像進行處理和儲存。這裡就要用到數據採集和儲存系統,這是一個高性能計算機,能對圖像數據進行處理。施一公是如何利用這些圖像構建剪接體的三維結構的?

舉例來說,一個蘋果,它本身是三維的,我們拿二維照相機多方位、多角度地拍很多張照片,就能重構出蘋果的三維模型。施一公介紹,其實冷凍電鏡就相當於一個照相機,當選好的冷凍樣品被送到冷凍電鏡時,會生成很多圖像,這些圖像組合起來便可以構建一個三維結構。當數據收集系統收集到大量剪接體的圖像後,就可以重構一個剪接體的三維結構。

數據採集和儲存系統

在這次科研中變得火爆的冷凍電鏡,從上世紀80年代在國外已有研究,2009年,北京大學醫學院生物物理系系主任尹長城第一次引入國內,各項技術也在不斷更新。「雖然我是第一個引進的,但那時候的解析度肯定比不上施一公團隊的,現在國內最先進的冷凍電鏡是Titan

Krios,目前清華已有三台,施一公還打算再買一台,中科院有一台,上海國家蛋白質科研中心有一台,此外,浙江大學已經訂購了,復旦大學、上海科技大學、北大本部也有訂購計劃。」

冷凍電鏡儀器高端,價格也不菲。一台最好的可以做冷凍電鏡的透射電子顯微鏡需要450萬美元,這還僅僅是一台顯微鏡的價格,整套儀器需要電子探測器,球差矯正器,能量過濾器、相位板等設備,據介紹,全套加起來保守估計需要600萬美元。清華大學甚至用了一整棟樓來安裝、維護這些龐大的儀器。

「雖然技術是引進的,但科研是自己的。施一公可以敏銳地意識到這種方法,懂得它的重要性並加以利用,他也是有他自己的科研思路的。」尹長城說。

科研儀器助戰科研顯成效

能取得轟動世界的科研成果,離不開科研儀器的幫助。這次施一公團隊得到的剪接體結構接近原子量級,也就是3.6埃(埃是長度單位,1埃=十億分之一米)。但如果沒有冷凍技術使樣品形狀固定,使樣品便於觀察;如果沒有電子顯微鏡能觀察到原子級的結構;如果沒有數據採集和儲存系統幫助我們收集和分析數據,光靠人類的力量這幾乎是不可能完成的任務。單就觀察樣品這一項來說,人的眼睛最小能看到0.1mm的東西,不可能會看到原子,甚至一般的光學顯微鏡的清晰觀察也只能到毫米級。

▲科研人員使用冷凍電鏡觀察並得到圖像數據。

據尹長城介紹,當年轟動世界的DNA雙螺旋結構的發現就是因為研究出了利用X光射線去研究DNA的衍射的方法。姜韜表示,現在科學研究中,科研儀器扮演者越來越重要的角色,這些儀器依託於科學家研發的技術,是科學家眼睛、手和腦的延伸。由於生理結構,人類的一些功能會有局限性,實驗必須藉助儀器來完成。「就像太空人登陸月球,即使人類掌握的技術已經達到這個水平,但如果沒有宇宙飛船這個工具,也是不可能實現的。」

工欲善其事,必先利其器。科學實驗的成功離不開科學儀器和設備的支撐,很多重大科研成果都是由於科學儀器和方法的突破。一個新的方法,新的儀器,新的技術都可能打開一片新的領域,幫助科學家完成更多「不可能」。而在科學界,對研究出這些方法的科學家會受到嘉獎。此次施一公利用冷凍電鏡獲得了諾獎級成果,當初研究出分析蛋白質結構的電鏡技術的Aron.klug也因其在方法上的改進獲得了1982年的諾貝爾化學獎。


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