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什么是低温电子显微镜诺贝尔奖获奖技术古皓

2022年08月24日

什么是低温电子显微镜，诺贝尔奖获奖技术？

三位科学家分享了今年的诺贝尔化学奖：Jacques Dubochet，Joachim Frank和Richard Henderson。

他们的胜利是为了研究一种称为低温电子显微镜的技术，该技术使科学家能够以前所未有的锐度研究生物分子，尤其是被认为与阿尔茨海默病有关的寨卡病毒和蛋白质。

能够以原子分辨率捕获这些生物分子的图像不仅有助于科学家了解它们的结构，而且通过将在不同时间点拍摄的图像拼接在一起，开辟了探索生物过程的可能性

专家补充说，通过冷冻电子显微镜收集的信息已证明在帮助科学家开发药物方面很有价值。曼彻斯特大学免疫学教授丹尼尔戴维斯说：“它已用于可视化抗体如何阻止病毒危害的方式，从而导致药物的新思路成为一个例子。”

为什么我们需要低温电子显微镜？

显微镜允许科学家观察肉眼无法看到的结构 - 但是当这些结构非常微小时，由于它们的波长不够短，不再可能使用光线来完成这项工作。相反，可以使用电子束 - 使用称为透射电子显微镜的技术 - 或者科学家可以采用称为X射线晶体学的方法，其中X射线在通过样品时被散射，产生可以进行分析以揭示分子的结构。

麻烦的是，X射线晶体学依赖于形成有序结构的生物分子，许多人都做不到，而且该技术不允许研究人员探测分子如何移动。

从历史上看，TEM也存在困难。光束本身炸掉了正在研究的生物分子，而该技术涉及使用真空，导致生物分子干燥和坍塌，在探测其结构时投入扳手。

今年的化学奖获得者解决了这些难题，使科学家能够使用透射电镜以令人难以置信的分辨率对生物分子进行成像。

他们做了什么？

亨德森和他的团队使用葡萄糖溶液来防止分子变干，将较弱的电子束与从多个角度拍摄的图像和数学方法相结合，以构建整齐地组织在生物膜内的蛋白质的3D图像。这是一个突破性的时刻。亨德森后来成功地以原子分辨率揭示了它的3D结构 - 这是蛋白质的第一次。

与此同时，弗兰克开发了巧妙的图像处理技术来取消TEM数据并在生物分子处于解决方案时建立生物分子的图像，其中它们指向许多不同的方向。

Dubochet提出了一种防止分子变干的复杂方法。亨德森的技术对水溶性生物分子不起作用，而冷冻样品导致冰晶的形成，造成损害并使得所得图像难以解释。

Dubochet的解决方案是以足以使水分子没有时间采用常规结构的速度快速冷却样品。相反，它们指向每一个方向，产生一个玻璃，生物分子在其中以及其自然形状被冻结。

下一步是什么？

三人组的工作以及随后为完善这些方法所做的努力已经导致惊人的发展。“冷冻透射电子显微技术确实开辟了细胞的分子世界，直接观察，”伦敦大学学院无机化学教授安德里亚塞拉说。

其中更清楚的过程是将DNA复制到单链分子RNA中的机制。

但未来也令人兴奋，科学家利用该技术探测药物靶标的结构，以及细胞内涉及感知疼痛，温度和压力的成分。分辨率的进一步提高也在进行中。

戴维斯说：“冷冻电子显微镜是一种非常基础和重要的技术，它的使用涵盖了所有的生物学 - 包括了解人体和人类疾病，以及设计新药。”