将生物化学带向新纪元的技术获得2017年诺贝尔化学奖

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将生物化学带向新纪元的技术获得2017年诺贝尔化学奖

2017 年 10 月 5 日 Nature自然科研 Nature自然科研

原文以Cryo-electron microscopy wins chemistry Nobel为标题

发布在2017年10月4日的《自然》新闻上

原文作者：Daniel Cressey & Ewen Callaway

左：理查德·亨德森（Richard Henderson），中：约阿希姆·弗兰克（Joachim Frank），右：雅克·杜博歇（Jacques Dubochet）

Niklas Elmehed/Nobel Media AB 2017

10月4日，雅克·杜博歇、约阿希姆·弗兰克和理查德·亨德森因开发了冷冻电子显微镜（cryo-EM）技术而获得了2017年的诺贝尔化学奖。该技术通过将电子束打到冻结在溶液中的蛋白质上来获得生物分子结构，有助于研究者观察生物分子样貌。

数十年来，生物学家们一直利用X-射线晶体学方法——通过向结晶的蛋白质照射X射线来获得生物分子结构的图像。但如今实验室正竞相采用冷冻电镜技术，因为它可以获得那些不易形成大晶体的蛋白质的结构图像。颁发这一奖项的瑞典皇家科学院是这样描述的：这一技术“使生物化学迈进了一个新纪元”。

20世纪70年代，剑桥大学MRC（英国医学研究委员会分子生物学）实验室的亨德森与同事Nigel Unwin试图确定细菌视紫红质的形状。这种蛋白可以利用光能使蛋白质穿过细胞膜，但不适用于晶体学技术。因此，二人转向了电镜技术，并于1975年制作了该蛋白质的第一个3D模型。

在同一年代，哥伦比亚大学的弗兰克及其同事开发了一种图像处理软件，用于解析通过电镜照射蛋白质所产生的模糊图像，它可以将模糊的二维图像转换成3D分子结构。

20世纪80年代初，瑞士洛桑大学的杜博歇所带领的科研团队研究出了如何在电子显微镜中使用水，使生物分子可以在溶液中保持其自然形状成像。他的团队开发了一种利用液态乙烷快速冻结蛋白质溶液的方法，使它们在电子轰击下保持相对静止。如此一来，研究人员可以利用电子显微镜，得到比以往分辨率更高的蛋白质结构。

得益于以上研究以及其他进展，亨德森在1990年利用冷冻电镜技术得到了第一张原子级分辨率的蛋白质图像。

尽管为诺贝尔委员会所认可的工作是在20世纪70年代和80年代进行的，但它为近年来众多科学家所称的一场革命奠定了基础。

弗兰克告诉聚集在瑞典皇家科学院的记者们：技术创新可以产生比发现更大的影响。他说：“冷冻电镜将会彻底变革结构生物学。”另外还补充表示，细胞内制造蛋白质的机器——核糖体是他成像过的“最酷”的分子。

Venki Ramakrishnan是众多转向冷冻电镜的研究者之一。他是分子生物学实验室的结构生物学家，因使用X-射线晶体技术确定了核糖体结构而于2009年共享了诺贝尔化学奖。在从《自然》记者那里获知今年化学奖得主时，Ramakrishnan说道：“太棒了，我认为就应该他们获奖。”

与亨德森共事的冷冻电镜专家Sjors Scheres说：“太好了，这是对过去一切发展的高度认可。”前一天两人从莱斯特的会议回来之后，Scheres问亨德森是否会手机不离身，以防诺贝尔委员打电话给他，结果亨德森说诺贝尔奖应该颁给杜博歇。Scheres补充表示，亨德森永远不会说他自己该获奖，但他们三人当之无愧。ⓝ