觀察生命的細(xì)節(jié)

2017-10-18 20:08:36苗千

三聯(lián)生活周刊 2017年42期

苗千

2017年10月4日，瑞典皇家科學(xué)院將本年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予三位發(fā)展了冷凍電子顯微鏡技術(shù)（Cryo-Electron Microscopy），使人類(lèi)得以通過(guò)極高的分辨率研究溶液中的生物分子結(jié)構(gòu)的三位科學(xué)家：來(lái)自瑞士洛桑大學(xué)的雅克·杜波切特（Jacques Dubochet），美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的喬基姆·弗蘭克（Joachim Frank），以及英國(guó)劍橋大學(xué)的理查德·亨德森（Richard Henderson）。這三位科學(xué)家將各獲得獎(jiǎng)金的三分之一。諾貝爾委員會(huì)給出的授獎(jiǎng)理由是：因?yàn)檫@三位科學(xué)家的貢獻(xiàn)，人類(lèi)將可以很快以原子級(jí)別的清晰度觀察生命運(yùn)行的機(jī)理，使人類(lèi)終于獲得生物細(xì)胞的三維圖像，這對(duì)人類(lèi)理解生命的本質(zhì)具有重大意義，“把生物化學(xué)推動(dòng)到了一個(gè)新的時(shí)代”。

認(rèn)識(shí)各種蛋白質(zhì)、DNA、RNA，乃至病毒的真實(shí)結(jié)構(gòu)，對(duì)于人類(lèi)研發(fā)藥物，乃至于理解生命的本質(zhì)都有重要意義，但是在冷凍電子顯微鏡技術(shù)發(fā)明之前，想做到這一點(diǎn)并不容易。人類(lèi)此前經(jīng)常使用X射線晶體衍射的方法來(lái)探究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，但是這需要物質(zhì)以晶體的方式排列——這對(duì)于蛋白質(zhì)來(lái)說(shuō)很難實(shí)現(xiàn)，而且通過(guò)這種方式也無(wú)法研究蛋白質(zhì)的活動(dòng)特性。人類(lèi)在20世紀(jì)30年代就開(kāi)發(fā)出了電子顯微鏡技術(shù)，但是這種技術(shù)只能適用于沒(méi)有生命的物體——高能的粒子束會(huì)使生物細(xì)胞喪失水分，破壞細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)。

劍橋大學(xué)的細(xì)胞生物學(xué)家理查德·亨德森的博士課題與X射線的晶體衍射技術(shù)相關(guān)。為了探索蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，他一開(kāi)始也試圖利用X射線成像，但到了20世紀(jì)70年代，他就轉(zhuǎn)向了電子顯微鏡技術(shù)，希望能夠有所突破。想要利用電子束來(lái)對(duì)生物細(xì)胞進(jìn)行成像，面臨著許多實(shí)際問(wèn)題。電子顯微鏡通常需要在真空環(huán)境中進(jìn)行工作，如何制備樣品，如何保存生物細(xì)胞中的水分，又如何讓電子束不會(huì)破壞掉樣品的結(jié)構(gòu)，都是需要解決的難題。

英國(guó)劍橋大學(xué)的理查德·亨德森

最初科學(xué)家們想利用電子顯微鏡獲得生物細(xì)胞的圖像，需要先使用一種特制的薄膜包裹住樣品，然后用強(qiáng)度極低的電子束對(duì)其進(jìn)行成像。這種手段獲得的圖像精度有限。在20世紀(jì)70年代，理查德·亨德森與他在劍橋大學(xué)的合作者奈杰爾·安溫（Nigel Unwin）做出了一個(gè)重大突破，他們使用葡萄糖溶液替代樣品中的水分，并且采取了新型的樣品制備方式，可以在常溫下用極低強(qiáng)度的電子束進(jìn)行樣品成像，使電子束對(duì)樣品的損害降到最低，從而首次獲得了清晰的樣品結(jié)構(gòu)圖像。

喬基姆·弗蘭克從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究一種圖像合成算法，可以將同一樣品在不同角度拍攝的二維電子顯微鏡圖像合成為三維圖像——這需要對(duì)每一個(gè)樣品的位置和朝向都做出準(zhǔn)確判斷。對(duì)于生物樣品來(lái)說(shuō)，不同的樣品很少有完全相同的結(jié)構(gòu)，而且在樣品中還有可能含有雜質(zhì)。因此想要進(jìn)行判斷和計(jì)算，就需要能夠辨別同一樣品各種各樣的不同狀態(tài)。在1981年，喬基姆·弗蘭克與合作者馬林·凡·黑爾（Marin van Heel）得出一種方法，可以將樣品圖像根據(jù)不同的朝向歸類(lèi)，同時(shí)分析樣品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。喬基姆·弗蘭克在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了眾多用于樣品圖像分析的算法，他將這些算法綜合起來(lái)，形成一套被稱為“SPIDER”的電腦程序供科學(xué)界使用。這些算法對(duì)于低溫電子顯微鏡技術(shù)至關(guān)重要。

如果能夠在低溫條件下觀測(cè)樣品，會(huì)防止樣品中水分的蒸發(fā)，電子束對(duì)于樣品的損害也會(huì)降低。但另一方面，在低溫條件下樣品中的水分有可能凝結(jié)成晶體，這種晶體結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)電子束造成強(qiáng)烈的散射，影響成像，而且樣品中水分的晶體結(jié)構(gòu)也有可能破壞樣品自身的結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)上的困難在20世紀(jì)40年代就已經(jīng)被人注意到，逐漸有人開(kāi)始意識(shí)到，這些難題可以通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行快速降溫，使樣品中的水分無(wú)法結(jié)晶，而是呈現(xiàn)出一種玻璃化的狀態(tài)來(lái)解決，這樣就有可能在低溫條件下獲得樣品高精度的圖像。

左圖：瑞士洛桑大學(xué)的雅克·杜波切特右圖：美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的喬基姆·弗蘭克（右）

在理論上，讓水在低溫狀態(tài)下維持一種玻璃化的固體形態(tài)，可以使樣品在電子顯微鏡中更清晰地成像，這已成為科學(xué)家們的共識(shí)。但在實(shí)際操作中，是否有可能讓大量的水分達(dá)到這樣的狀態(tài)，直到20世紀(jì)80年代之前還眾說(shuō)紛紜，很多人對(duì)此充滿懷疑。直到1981年，這個(gè)問(wèn)題才被真正解決，雅克·杜波切特與合作者阿拉斯戴爾·麥克道爾（Alasdair McDowall）終于在實(shí)驗(yàn)中得到了玻璃化的固態(tài)水。他們把水噴灑在碳薄膜的表面，然后將其浸入到溫度為-190攝氏度的液態(tài)乙烷中，再使用液氮保持低溫狀態(tài)。這種玻璃化的固態(tài)水在低溫電子顯微鏡中可以非常均勻地吸收電子，達(dá)到一種理想的觀測(cè)狀態(tài)，而這種狀態(tài)在其被加熱到-140攝氏度的條件下又會(huì)被破壞，玻璃化的固態(tài)水會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w。理查德·亨德森認(rèn)為，雅克·杜波切特所完成的正是低溫電子顯微鏡中“低溫”這一部分，他是這個(gè)領(lǐng)域真正的開(kāi)拓者。

如今低溫電子顯微鏡已經(jīng)成為結(jié)構(gòu)生物學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)仍然在不斷進(jìn)化，所能夠達(dá)到的分辨率也在不斷提高。現(xiàn)在這種技術(shù)已經(jīng)可以為科學(xué)家們提供生物細(xì)胞原子級(jí)別的清晰圖像。在2016年，人類(lèi)正是通過(guò)這種技術(shù)得知寨卡病毒的結(jié)構(gòu)，理解病毒攻擊細(xì)胞的原理。人類(lèi)也正在通過(guò)低溫電子顯微鏡技術(shù)理解生命更深刻的奧秘。而這三位科學(xué)家獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，也會(huì)讓人們開(kāi)始思考化學(xué)這門(mén)學(xué)科的本質(zhì)。

阿爾弗雷德·諾貝爾先生本人就是一位化學(xué)家，但近年來(lái)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的光芒常常被物理學(xué)獎(jiǎng)所掩蓋。就連很多化學(xué)家們也會(huì)開(kāi)玩笑說(shuō)，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)從來(lái)不頒發(fā)給真正的化學(xué)家，而是會(huì)頒給物理學(xué)家或是生物學(xué)家。化學(xué)的研究領(lǐng)域確實(shí)沒(méi)有物理學(xué)廣闊，它是一門(mén)專(zhuān)注于分子層面的科學(xué)。2016年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了幾位發(fā)現(xiàn)新型化學(xué)鍵的科學(xué)家，而本年度的化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給幾位開(kāi)拓出全新的方法觀察分子結(jié)構(gòu)的科學(xué)家，這幾位科學(xué)家通過(guò)不同的手段，都讓人類(lèi)在分子層面對(duì)自然界有了更深刻的認(rèn)識(shí)，這正是化學(xué)的迷人之處。

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