2017年诺贝尔化学奖授予冷冻电镜领域

作者:Richard Henderson 文章来源:互联网 点击数:47 发布时间:2017-10-09
本届诺贝尔化学奖获得者之一理查德·亨德森(Richard Henderson)带我们了解这项技术。
2017年诺贝尔化学奖授予冷冻电镜领域

北京时间10月4日18:45分,诺贝尔奖官网最新消息,2017年诺贝尔化学奖颁给雅克·杜波切特(Jacques Dubochet), 阿希姆·弗兰克(Joachim Frank)和理查德·亨德森(Richard Henderson),表彰他们发展了冷冻电子显微镜技术,以很高的分辨率确定了溶液里的生物分子的结构。

冷冻电镜技术利用了电子显微镜这个工具(仪器)。很显然,在1900年电子被J.J.汤姆森(Thompson)发现以前,这个概念是不可能被提出的。一旦人们从波粒二象性原理出发,弄清楚电子也可以像光波一样被聚焦后,恩斯特·鲁斯卡(Ernst Ruska)便提出了电子显微镜这个概念。利用电子来成像有极其显著的优势,因为它的波长只有大约光波的10万分之一左右;大体上光波为1微米级别(注:可见光约400~760nm),而电子约为1皮米(10^-12米)。

原则上,你可以获得远远高于光镜的分辨率。但是,从技术上而言具有诸多挑战。直到大约上个世纪五六十年代,电子显微镜才可以解析一些原子结构。生物学家总是落后于其它学科(利用电子显微技术),那时的电镜用户主要集中在金属或类似的材料研究。原因是这样的:当你把有机分子组成的生物样品置于电子束之下进行成像之时,它会产生辐射损伤而毁掉生物样品的结构信息。在早期的大量尝试最终都以失败而告终。所有的成功应用都是对生物结构进行重金属染色之后再成像,这借鉴了材料科学家们的研究方法。

直到美国科学家Bob Glaeser出现才改变了这个局面,他目前仍在伯克利。他曾指出辐射损伤意味着穿过样品的电子将破坏其化学键,改变原有结构信息(比如蛋白、脂等等),将它们“烧掉”。所以,氢键会被破坏,变成了气体,留下的只有一些结构残骸。Glaeser教授指出,由于辐射损伤的存在,你永远无法测定单个分子的结构。所以他提出使用晶体,通过这种方式,你可以弄清楚电子是如何和这些结构相互作用。这种情况下,你就拥有数十万个规则排列的分子。即使其中的一部分子结构被破坏,你也可以从中得到目标分子的结构信息。

Glaeser是最早和他的学生尝试利用冷却样品来克服或降低辐射损伤的科学家。他们把样品冷却到了大于-100°C。这是他们当时所能够达到的极限,因为当时电子显微镜的真空极差,样品会被严重污染。直到上个世纪80年代,随着更好的真空系统、更好的冷台(用于冷却样品并使其保持低温)的出现,样品被冷却至液氮温度才变成可能。这主要归功于坐落于海德堡的欧洲分子生物学实验室(European Molecular Biology Laboratory,EMBL)的Jacques Dubochet教授及其研究组。

他系统研究了水在冷冻条件下的各种性状,研究了大概3-5年才有了结论。他指出:“当你冷冻水的时候,它常常形成冰晶;有时候,这是六边形的晶体;有时,是立方的晶体;但是,如果你非常迅速地冷冻液态水,它可以形成无定形的冰”。他发明了一种方法,利用吸附的方式形成薄的水膜,然后快速插入到冷却液体。起初,他们尝试了液氮,但是液氮温度通常都处于沸点附近,冷却表面形成大量气体,冷却速度极慢,这会导致冷却之后常常得到冰晶。后来他发明了我们目前广泛使用的生物样品冷冻方法。这个方法中,直接用于冷冻样品的是液态乙烷或丙烷,它们处于液氮环境,并被冷却至和液氮相当的温度(注:乙烷熔点约-183°C,液氮沸点约−196°C)。

我认为,Dubochet教授的工作标志着冷冻电镜技术真正的开始。那时候我们正在从事细菌视紫红质的二维晶体研究(注:Henderson与其合作者Nigel Unwin 1975年首次观测到细菌视紫红质七次跨膜螺旋结构)。我们刚开始是在室温环境进行研究,并没有对晶体进行冷却。当我们尝试把晶体冷却至液氮温度之时,我们获得了大约4-5倍于室温环境的可用数据。所以,事实上冷却并没有彻底克服辐射损伤,只是把损伤的程度降低了大约4-5倍。然后,我们利用冷冻电镜技术成功解析了这个二维晶体的结构(Henderson et al., 1990)。

但是,冷冻电镜真正的强大之处在于它可以“冷冻一切”!你可以冷冻生物组织小碎片,你可以冷冻溶液中的分子,你可以冷冻重悬后的病毒,你可以冷冻核糖体。事实上,你可以做任何你想做的事情。所以目前冷冻电镜可研究的范围至少覆盖了四五种不同的生物样品种类。每一种自身都非常有意义,并且可以从不同的侧面帮助你洞悉生物对象,提供重要结构信息。

最简单的一种方法就是冷冻我们现在称为“单颗粒”的悬浮分散对象。以核糖体为例,细胞中各种各样的蛋白质都在这里被合成。你可以把核糖体冷冻在一个很薄的水膜中,这样你就可以看到各个不同方向的核糖体的二维投影图。你可以从照片中挑选出一个一个核糖体的“单颗粒”;如果数量足够,比如目前大约需要1-2万个,你就可以将这些各个不同方向的核糖体平均,进而得到三维结构。

基本原理和CT(computer tomography)非常像,假如说你不幸得了脑瘤,需要去医院用X-射线从不同方向来照射成像,然后通过这些投影像,反过来可以得到你的大脑、眼睛和肿瘤的三维像。我们事实上是用冷冻电镜做类似的事情。你可以对单颗粒应用类似原理,这不需要任何对称性,但是前提是你必须得到各个不同的方向的图像。

另外一些生物结构的例子则拥有内在的对称性。比如,许许多多的病毒它们都具有正二十面体对称性。这意味着它们自身拥有五次、三次和二次旋转对称轴,每个颗粒本身就拥有60重拷贝数。所以如果你对一个正二十面体病毒进行成像,实质上你得到了相当于60个不同方向的结构信息。这也就意味着你可以用少于普通样品60倍的颗粒数得到类似的三维结构。

另外,你可以得到许多具有螺旋排列方式的生物结构。例如alpha-螺旋,肌肉中的微丝结构等。肌肉中你可以看到细肌丝和粗肌丝,如果它们相对滑动,就意味着你的肌肉正在收缩。这些对象都可以很好的利用冷冻电镜来研究。我们看到一根根的螺旋结构,你对它们进行成像拍照,然后进行平均处理。但是你必须找准它们的取向,这是一个螺旋结构,你可以利用亚基之间的空间排布的几何性质进行约束,定位它们之间的相对取向。

另外一种分子间的排布方式是二维晶体。这种情况下,蛋白形成单分子层状结构,通常我们把其中一个称为a-轴,另一个则称为b-轴。这就是所谓的电子晶体学(electron crystallography)。起初,这种方法实际上更加简单,因为在同一个方向上,你可以获得上万个分子的图像。

最后一种方式和单颗粒、螺旋结构、二维晶体等都有一定区别,但它却是适合一切结构研究的一般情况。人们把这种方法称作电子断层成像技术(cryo-electron tomography)。这意味着你对单一的生物样品成像,不需要大量重复结构或拷贝数。你只是简单地对目标对象从不同的角度成像,比如,-70度到+70度,然后就像CT重构脑瘤一样。

这大体上就是目前冷冻电镜所能研究的生物对象的范围。利用这类冷冻电镜相关的方法,我们现在可以研究上百甚至上千种不同类型的生物分子结构。而这些结构曾经无法利用其它方法获得,比如X-射线晶体学,核磁共振等。冷冻电镜在过去几年出现了一系列重要的技术进展,现在的程序比以前更好更强大;不过,更加关键的是新一代的直接电子探测器的诞生。和传统的胶片不同,我们现在拥有了基于硅芯片的固态的探测设备。这大大提高了图像的信噪比。这些技术发展导致了“分辨率革命”,Werner Kühlbrandt教授在2014年的一篇综述中这样称道(Kuhlbrandt, 2014)。

在2010年以前,你可以获得一些稍大的结构的高分辨结构(比如正二十面体病毒),但是你很难得到小的分子结构,它们最终倾向于变成一坨模糊不清的轮廓图。这也是为什么冷冻电镜的科学家们常常被嘲笑为“轮廓砖家”。但是现在,“冷冻电镜革命” 实实在在地发生了,结构生物学家正在一窝蜂地涌向冷冻电镜革命的战场。出于这个原因,现在有大量并不具备任何冷冻电镜背景的研究人员正在不断地加入这个领域;同时也有大量的研究机构、大学、研究所等相关部门都在投资建设冷冻电镜研究平台。这导致了目前冷冻电镜领域人才出现“供不应求”的现象,有大量的研究中心甚至无法得到足够的人力支持。所以我们可以断言:冷冻电镜已经成为一项非常强大的方法,或许,已经主导了结构生物学。

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