冷冻电镜热起来(1)
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2017年度的诺贝尔化学奖授予了瑞士洛桑大学科学家雅克·杜邦内特、美国哥伦比亚大学科学家约阿希姆·弗兰克和英国剑桥大学科学家理查德·亨德森，以表彰他们在开发可以用于研究生物分子高分辨率结构的“冷冻电镜”技术方面的杰出贡献。
说起电子显微镜，人们或许都不陌生，它是一种分辨率比光学显微镜更高，可以看到光学显微镜下看不到的微观世界的仪器。那什么是冷冻电镜呢？总不会是把电子显微镜冷冻起来吧？这种冷冻电镜技术又为什么能够用于研究生物分子的结构呢？3位科学家30多年前的研究为什么直到现在才获得诺贝尔奖委员会的青睐呢？下面就让我们一一揭开这些问题的答案。
“结构三剑客”
毫无疑问，电子显微镜是科学家用来探索微观世界的利器。但微观世界也不是一概而论的，在尺度上跨越了多个数量级。
通常说到生物学上的微观世界，人们想到的大概会是各种寄生虫和细菌，大小从几百微米直至几微米。相比之下，头发丝直径大概是不到100微米。要想看清楚这样的微观结构，就要借助光学显微镜。最好的光学显微镜能够看到细胞内部细胞器的结构，通过一些特殊技术甚至能够看到单个的蛋白质分子。
说到物理学上的微观世界，人们想到的大概就是分子和原子了。要想“看”到单个的原子，只有借助扫描隧道显微镜或是原子力显微镜才行，但这些设备对观测样品的限制非常多，实际应用领域比较狭窄。应用得更为广泛的是电子显微镜，虽然它不能直接观测到单个的原子，但是对于光学显微镜下的微观世界，电子显微镜能够提供更为清晰、分辨率更高、细节更为丰富的照片。
近一个世纪以来，生物学家也有了观察分子级别，甚至是原子级别微观世界的需求。再复杂的细胞、细胞器也都是由各种生物分子，特别是蛋白质等生物大分子构成的，要研究这些蛋白质的功能，最直接的方法就是“看到”它们的三维结构，也就是测定构成一个蛋白质分子的成千上万个原子的三维坐标。研究生物大分子结构的科学就是结构生物学。
要想测定蛋白质的结构可并不容易。蛋白质的大小只有几纳米到几十纳米，比细胞小了1000倍，甚至小于可见光的波长，因此超越了光学显微镜的极限。为了描述蛋白质中各个原子的坐标，就连纳米这样的单位都显得太“大”了，所以生物学家使用了“埃”(angstrom)这个长度单位，指10-10米，也就是0.1纳米。
为了探索“埃”这个水平上的微观世界，科学家发展出了三种不同的方法，堪称“结构三剑客”。它们之中的老大是X射线晶体学，通过X射线在蛋白质晶体上的衍射来计算蛋白质的结构。这种方法发展得最为成熟，应用最为广泛，观測到的蛋白质结构分辨率也最高，能够达到1埃的水平，清晰地分辨出每一个原子的准确位置。但是X射线晶体学首先需要把蛋白质结晶，而蛋白质并不都能老老实实地排列成整齐的晶体，因此限制了这种方法的应用。
三剑客中的老二是核磁共振方法。这种方法无需结晶，可以直接测定溶液中的蛋白质结构，但是却有蛋白质大小方面的限制。太大的蛋白质产生的核磁共振谱图过于复杂，重叠严重，变得无法解读。另外，由多个蛋白质组成的蛋白质复合物也难以用核磁共振的方法直接观测结构。
结构三剑客中的最后一位就是电子显微镜。虽然电子显微镜用电子束代替了光束，所以在理论上能够超越可见光波长的限制，但在实际观察生物大分子结构时却遇到了很多困难。本年度诺贝尔化学奖3位得主所做的工作，正是从不同的角度解决这些困难。
二维的晶体
电子显微镜研究生物大分子结构的第一个困难就是电子束本身的强大破坏力。简单来说，电子束中的电子是带着速度而来的，如果它们与样品发生了相互作用，也就意味着它们“撞”到了样品上。这个撞击产生的能量要样品自己来吸收，从而会导致样品的毁坏。很多无生命的样品在电子束的轰击之下都会发生明显可见的破坏，更不要说脆弱的蛋白质了。
怎么办呢？要说办法也简单，谁都能想得到，那就是减弱电子束的强度，减弱到不会明显破坏蛋白质样品的程度。可是，问题又来了：太弱的电子束成像也弱，如何能够得到清晰的电子显微镜成像呢？理查德·亨德森的贡献就在于此。他本来是从事X射线晶体学方法研究的。从这种经典方法中，他得到了启发，想到可以将二维晶体应用于电镜研究。我们所说的晶体，一般都是指三维晶体，其中的原子或分子在任意一个方向上都是周期排列的。X射线晶体学方法之所以能够得到微观结构信息的宏观信号，就是靠周期排列的晶格产生的X射线衍射作用。可是，三维的晶体太厚，电子束穿透的损耗太大。亨德森让特定的蛋白质形成了二维的晶体，也就是薄薄的一层在水平方向上有序排列的蛋白质，再让电子束去照射它，通过晶格的衍射来增强信号。
1990年，亨德森应用二维晶体方法解析得到了细菌视紫红质蛋白的三维结构。这种蛋白是一种膜蛋白，我们的眼睛能够看到光线，依赖的也正是视紫红质蛋白。略有遗憾的是，在此两年前，已经有结构生物学家通过X射线晶体学的方法解析得到了该蛋白的结构，从而使亨德森与相关诺贝尔奖失之交臂。但是，亨德森得到的结构是最早的应用电子显微镜技术测定得到的生物大分子结构。
全息“逮捕照”
我们在欧美电影中看到不少这样的情节：犯罪嫌疑人被警察抓获之后，都会举着自己的名牌在标尺墙前照3张照片——正面、左面、右面各一张。毫无疑问，这3张逮捕照的作用就是用来建立这名犯罪嫌疑人的样貌档案，以后如果在其他罪案有关的影像资料中拍到这个人，就可以很容易地进行比对识别了。我们不妨设想一下，如果不仅是建立一个人的平面照片档案，而是要建立一个人头部的三维立体模型呢？其实也不困难，只要360°无死角地给他拍一系列的头像照片就行了。如今的计算机建模程序已经可以轻松完成这样的任务。 (谷第)