什么是冷冻电镜技术?

1. 什么是冷冻电镜技术?

冷冻电镜技术，全称是冷冻电子显微镜技术，是在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术
这项技术获得了2017年的诺贝尔化学奖，获奖者有三位，分别是瑞士科学家Jacques Dubochet，美国科学家Joachim Frank，英国科学家Richard Henderson。冷冻电镜技术，是一种重要的结构生物学研究方法，它与X射线晶体学、核磁共振一起构成了高分辨率结构生物学研究的基础。
冷冻电镜技术的研究，早在1968年剑桥MRC分子生物学实验室已经诞生，上世纪70年代和80年代中叶，主要是冷冻成像和蛋白快速冷冻技术。根据诺贝尔奖评委会的说法，冷冻电镜技术使生物分子成像，变得更加简单，把生物化学带入了一个新纪元。这项技术可以用来确定，溶液中生物分子的高清晰度结构。
冷冻电镜技术其实比较抽象，一直以来它主要的问题是其图像噪音极高、信号极低，研究的目标是从中提取近原子分辨率的结构信息。可以形象的比喻为在一个机器轰鸣的工厂，监测一只蚂蚁爬行的声音。冷冻电镜的目标，就是要完成这项艰巨的任务。因此，可见这项技术成果的科学价值。

2. 中国在冷冻电镜上大有希望吗？

北京时间10月4日17时45分，2017年诺贝尔化学奖公布。
瑞士洛桑大学雅克·杜波切特(Jacques Dubochet)、美国哥伦比亚大学乔基姆·弗兰克(Joachim Frank)和英国剑桥大学理查德·亨德森(Richard Henderson)凭借“研发出能确定溶液中生物分子高分辨率结构的冷冻电子显微镜”获此殊荣。
听得消息后，清华大学生命科学学院院长王宏伟和中国科学院生物物理研究所孙飞研究员都表示——“不意外”。
1、获诺奖并不等于很完美
“前两年就觉得这项技术可以获诺贝尔奖。”孙飞长期从事生物电镜方法学研究，他也是中国生物物理学学会冷冻电镜分会副理事长。
孙飞与三位诺奖获得者虽没有直接合作，但都有过接触。
他在接受采访时介绍，雅克·杜波切特、乔基姆·弗兰克和理查德·亨德森开创的冷冻电子显微成像技术，能让科学家看到生物大分子复合体的高分辨率三维结构，极大地推进了分子生物学研究和对生物奥秘的理解。
值得注意的是，三位科学家的主要工作都是在上世纪七十年代到八十年代做出来的。时间证明了他们的远见。



资料图
图为质多角体病毒CPV的冷冻电镜图像（左上）和质型多角体病毒衣壳三维重构（中）。重构结果中彩色部分为组成该病毒的最基本的非对称结构单元。右图展示该非对称单元的放大图（右上）以及构建的原子模型（右下）。左下图展示的是部分氨基酸的三维重构电子密度图以及构建的原子模型，可以很清楚地看见氨基酸侧链。
孙飞告诉记者，结构生物学领域科学家在大量使用冷冻电子显微成像这项技术。目前该领域最前沿研究方向是进一步改进技术方法，特别是冷冻样品制备方面，进一步提高冷冻电子显微镜的分辨率和技术流程通量。这些方面取得突破后，将使该技术广泛应用于医药开发领域。
“获得诺奖并不表示这项技术已经非常完善。”王宏伟也表示，未来冷冻电子显微成像技术还需要很长的路要走。
王宏伟认为，它需要生物学家、物理学家、计算机学家在方法学上进一步创新，尤其在解析细胞内精细结构和生物大分子的结构变化方面进一步提升。
“虽然是物理学的技术，但给生物物理学打开了新的天地，影响不可估量。”孙飞评价。
耐人寻味的是，这并不是显微成像技术第一次获此殊荣。超分辨率荧光显微技术就曾摘得2014年诺贝尔化学奖。
2、国内应用并不落后
令人欣慰的是，我国在冷冻电子显微镜领域并不落后。
王宏伟介绍，国内最早做冷冻电镜是从上世纪九十年代中期开始。当时清华大学隋森芳院士、中山大学张景强教授、中科院生物物理所徐伟研究员等都在做这方面研究。
到二十一世纪初，冷冻电子显微镜技术逐渐成熟，中国一些科研单位开始布局。
王宏伟告诉记者，2008年清华大学施一公教授购置了亚洲第一台高端冷冻电子显微镜，北京大学医学院、中科院生物物理所也开始采购该设备。此外，国内还从国际上招聘年轻科学家开始这方面研究。



图为施一公教授。
“从2007到2009年，国内开始在此领域有较大投入并加强人才队伍建设。国内大部分从事该领域研究的年轻人与此次三位获奖者有一定的师承关系。” 王宏伟认为，中国那时候开始布局冷冻电子显微镜技术正当其时，因为2013年软硬件的成熟使该技术开始显现出优势。
孙飞告诉记者，施一公教授关于剪切复合体的大量研究都是利用这一技术，中国科学院生物物理所关于植物捕光复合体的高分辨率结构也是利用该技术来完成。
“所以这项技术会促成一大批突出研究成果出现。”孙飞说。
目前，中国在解析大生物分子结构领域的研究非常出色，冷冻电子显微镜技术应用方面在国际上也很有影响力。
但在王宏伟看来，国内在该技术方法学开发方面还需加大力气，今年的诺贝尔化学奖获得者就是在方法学开发上作出了原创性成果。
众所周知，X射线晶体学技术带来的重要发现曾多次获诺奖，冷冻电子显微镜技术是否有同样可能？
“这次诺奖是奖励冷冻电子显微镜方法学上的创新，将来利用这个技术解析出重要分子结构，破解重要生物学问题，完全有可能再得诺奖，中国在这方面也大有希望。”王宏伟说。
中国技术不落后于别国，相信会越来越强大！

3. 什么是冷冻电镜技术？

冷冻电镜技术开创者曾摘得２０１７年诺贝尔化学奖，这种技术结合电子显微镜、超低温冷冻和计算机图像处理手段，可以抓拍生物分子的高清“工作照”。
研究人员将样本在零下１８０摄氏度下冷冻，拍摄了约１００万张独立的快照，组合起来后，清晰地看到ＲＮＡ聚合酶ＩＩＩ与ＤＮＡ结合，拆开ＤＮＡ双链，准备进行代码转录的情景。
这些图像首次揭示了ＲＮＡ聚合酶ＩＩＩ这台分子机器的各个部件怎样相互作用和通信，使人们可以详细了解转录初始阶段的关键步骤，寻找操纵该过程的办法，开发全新的抗癌药物。

4. 什么是冷冻电镜技术?

冷冻电镜技术开创者曾摘得2017年诺贝尔化学奖，这种技术结合电子显微镜、超低温冷冻和计算机图像处理手段，可以抓拍生物分子的高清“工作照”。
研究人员将样本在零下180摄氏度下冷冻，拍摄了约100万张独立的快照，组合起来后，清晰地看到RNA聚合酶III与DNA结合，拆开DNA双链，准备进行代码转录的情景。

这些图像首次揭示了RNA聚合酶III这台分子机器的各个部件怎样相互作用和通信，使人们可以详细了解转录初始阶段的关键步骤，寻找操纵该过程的办法，开发全新的抗癌药物。

5. 什么是冷冻电镜技术?

冷冻电镜技术，全称是冷冻电子显微镜技术，是在低温下使用透射电子显微镜观察样品的显微技术
这项技术获得了2017年的诺贝尔化学奖，获奖者有三位，分别是瑞士科学家Jacques Dubochet，美国科学家Joachim Frank，英国科学家Richard Henderson。冷冻电镜技术，是一种重要的结构生物学研究方法，它与X射线晶体学、核磁共振一起构成了高分辨率结构生物学研究的基础。
冷冻电镜技术的研究，早在1968年剑桥MRC分子生物学实验室已经诞生，上世纪70年代和80年代中叶，主要是冷冻成像和蛋白快速冷冻技术。根据诺贝尔奖评委会的说法，冷冻电镜技术使生物分子成像，变得更加简单，把生物化学带入了一个新纪元。这项技术可以用来确定，溶液中生物分子的高清晰度结构。
冷冻电镜技术其实比较抽象，一直以来它主要的问题是其图像噪音极高、信号极低，研究的目标是从中提取近原子分辨率的结构信息。可以形象的比喻为在一个机器轰鸣的工厂，监测一只蚂蚁爬行的声音。冷冻电镜的目标，就是要完成这项艰巨的任务。因此，可见这项技术成果的科学价值。