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2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉 冷凍電鏡技術(shù)摘得桂冠

[2017/10/9]

    2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉，冷凍電鏡技術(shù)摘得了桂冠，2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予三位冷凍電鏡領(lǐng)域的學(xué)者。這三位學(xué)者分別是德裔生物物理學(xué)家約阿基姆·弗蘭克(Joachim Frank)，現(xiàn)為哥倫比亞大學(xué)教授；蘇格蘭分子生物學(xué)家和生物物理學(xué)家理查德·亨德森(Richard Henderson)；瑞士洛桑大學(xué)生物物理學(xué)榮譽(yù)教授雅克·迪波什(Jacques Dubochet)。
 
　　北京時(shí)間10月4日下午5點(diǎn)45分，2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉，Jacques Dubochet, Joachim Frank和Richard Henderson獲獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)理由是“研發(fā)出冷凍電鏡，用于溶液中生物分子結(jié)構(gòu)的高分辨率測(cè)定”。
 

2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予三位冷凍電鏡領(lǐng)域的學(xué)者
 
　　獲獎(jiǎng)人簡(jiǎn)介
 
　　約阿基姆·弗蘭克(Joachim Frank)
 
　　德裔生物物理學(xué)家，現(xiàn)為哥倫比亞大學(xué)教授。他因發(fā)明單粒子冷凍電鏡(cryo-electron microscopy)而聞名，此外他對(duì)細(xì)菌和真核生物的核糖體結(jié)構(gòu)和功能研究做出重要貢獻(xiàn)。弗蘭克2006年入選為美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院兩院院士。2014年獲得本杰明·富蘭克林生命科學(xué)獎(jiǎng)。
 
　　理查德·亨德森(Richard Henderson)
 
　　蘇格蘭分子生物學(xué)家和生物物理學(xué)家，他是電子顯微鏡領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)者之一。1975年，他與Nigel Unwin通過(guò)電子顯微鏡研究膜蛋白、細(xì)菌視紫紅質(zhì)，并由此揭示出膜蛋白具有良好的機(jī)構(gòu)，可以發(fā)生α-螺旋。近年來(lái)，亨德森將注意力集中在單粒子電子顯微鏡上，即用冷凍電鏡確定蛋白質(zhì)的原子分辨率模型。
 
　　雅克·迪波什(Jacques Dubochet)
 
　　Jacques Dubochet, 1942年生于瑞士，1973年博士畢業(yè)于日內(nèi)瓦大學(xué)和瑞士巴塞爾大學(xué)，瑞士洛桑大學(xué)生物物理學(xué)榮譽(yù)教授。Dubochet 博士領(lǐng)導(dǎo)的小組開(kāi)發(fā)出真正成熟可用的快速投入冷凍制樣技術(shù)制作不形成冰晶體的玻璃態(tài)冰包埋樣品，隨著冷臺(tái)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，冷凍電鏡技術(shù)正式推廣開(kāi)來(lái)。
 
　　冷凍電鏡技術(shù)為何摘得2017年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)
 
　　2013年，冷凍電鏡技術(shù)的突破給結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了一場(chǎng)完美的風(fēng)暴，迅速席卷了結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域，傳統(tǒng)X射線、傳統(tǒng)晶體學(xué)長(zhǎng)期無(wú)法解決的許多重要大型復(fù)合體及膜蛋白的原子分辨率結(jié)構(gòu)，一個(gè)個(gè)被迅速解決，紛紛強(qiáng)勢(shì)占領(lǐng)頂級(jí)期刊和各大媒體版面，比如程亦凡博士、施一公博士、楊茂君博士、柳正峰博士所解析的原子分辨率重要復(fù)合體結(jié)構(gòu)，震驚世界。
 
　　這場(chǎng)冷凍電鏡革命的特點(diǎn)是：不需要結(jié)晶且需要樣品量極少，即可迅速解析大型蛋白復(fù)合體原子分辨率三維結(jié)構(gòu)。這場(chǎng)電子顯微學(xué)分辨率革命的突破有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：直接電子相機(jī)(其中算法方面程亦凡博士和李雪明博士有重要貢獻(xiàn))和三維重構(gòu)軟件。
 
　　引領(lǐng)這些技術(shù)突破的背后離不開(kāi)三位冷凍電鏡領(lǐng)域的開(kāi)拓者：理查德·亨德森(Richard Henderson)、約阿希姆·弗蘭克(Joachim Frank)和 Jacques Dubochet分別在基本理論、重構(gòu)算法和實(shí)驗(yàn)方面的早期重要貢獻(xiàn)。
 
　　我本人與這三位科學(xué)家都有曾過(guò)面對(duì)面的交流，也是讀他們的文章進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域的，下面簡(jiǎn)要談?wù)勊麄兊呢暙I(xiàn)。
 
　　電子顯微鏡于1931年發(fā)明，但在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用滯后于材料科學(xué)，原因在于生物樣品含水分才會(huì)穩(wěn)定，而電子顯微鏡必須在高真空下才能工作，因此如何制作高分辨率生物電鏡樣品是個(gè)技術(shù)瓶頸。傳統(tǒng)的重金屬負(fù)染技術(shù)，可以讓重金屬包被蛋白表面，然后脫水干燥制作適合真空成像的樣品，但這會(huì)導(dǎo)致樣品分辨率降低(至多保存1.5納米)。
 
　　1968年，英國(guó)劍橋大學(xué)MRC實(shí)驗(yàn)室的Klug博士和他的學(xué)生DeRosier開(kāi)創(chuàng)了基于負(fù)染的噬菌體病毒的電鏡三維重構(gòu)技術(shù)(Klug 博士獲1982年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng))。但如何保持生物樣品原子分辨率結(jié)構(gòu)又適合電鏡成像呢?加州大學(xué)伯克利分校的Robert Glaeser博士和他學(xué)生Ken Taylor 于1974年首次提出并測(cè)試了冷凍含水生物樣品的電鏡成像，可以有效降低輻照損傷對(duì)高分辨率結(jié)構(gòu)破壞和維持高真空，實(shí)現(xiàn)高分辨率成像的新思路，這就是冷凍電鏡(CryoEM)的雛形。
 
　　1982年，Dubochet 博士領(lǐng)導(dǎo)的小組開(kāi)發(fā)出真正成熟可用的快速投入冷凍制樣技術(shù)制作不形成冰晶體的玻璃態(tài)冰包埋樣品，隨著冷臺(tái)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，冷凍電鏡技術(shù)正式推廣開(kāi)來(lái)。
 
　　在Klug博士提出的三維重構(gòu)技術(shù)基礎(chǔ)上，MRC實(shí)驗(yàn)室的Richard Henderson博士(物理學(xué)及X射線晶體學(xué)背景)跟同事Unwin 博士1975年開(kāi)創(chuàng)了二維電子晶體學(xué)三維重構(gòu)技術(shù)，隨后應(yīng)用該技術(shù)技術(shù)解析了第一個(gè)膜蛋白細(xì)菌視覺(jué)紫紅質(zhì)蛋白的三維結(jié)構(gòu)，1990達(dá)到3.5埃，這是一個(gè)非常了不起的工作，但是第一個(gè)類似的膜蛋白結(jié)構(gòu)的諾貝爾獎(jiǎng)還是被X射線晶體學(xué)家米歇爾于1988年奪走了。二維晶體最大問(wèn)題在于很難長(zhǎng)出二維晶體，因而應(yīng)用范圍很窄，且容易被X射線晶體學(xué)家搶了飯碗(本人剛?cè)胄械谝粋(gè)薄三維晶體項(xiàng)目就被搶了)。
 
　　上世紀(jì)90年代，Henderson博士轉(zhuǎn)向了剛興起的另一項(xiàng)CryoEM三維重構(gòu)技術(shù)，即Joachim Frank 博士發(fā)展的單顆粒分析重構(gòu)技術(shù)，無(wú)需結(jié)晶就可以對(duì)一系列蛋白或復(fù)合體顆粒直接成像，對(duì)位平均分類，然后三維重構(gòu)。Henderson 博士憑借他深厚的物理學(xué)及電子顯微學(xué)功底，以及非凡的洞察力，提出實(shí)現(xiàn)原子分辨率CryoEM技術(shù)的可行性，在理論上做了一系列超前的預(yù)見(jiàn)，比如電子束引起的樣品漂移必須解決才能實(shí)現(xiàn)原子分辨率，為后期直接電子相機(jī)的突破指明了方向，他本人也投身于直接電子相機(jī)的開(kāi)發(fā)。
 
　　因此，在這場(chǎng)電鏡分辨率的革命中，Henderson博士是個(gè)不折不扣的發(fā)起者。另外，三維重構(gòu)新算法的突破也有Henderson 博士的獨(dú)具慧眼有關(guān)，Sjors Scheres博士在沒(méi)有很強(qiáng)論文情況下被他看中招募到MRC后因?yàn)殚_(kāi)發(fā)經(jīng)典的Relion 三維重構(gòu)算法大放異彩。
 
　　最后，我們?cè)俳榻B一下發(fā)展冷凍電鏡單顆粒三維重構(gòu)技術(shù)的Joachim Frank博士，他也是物理學(xué)背景。Frank 博士是單顆粒分析鼻祖，單顆粒三維重構(gòu)算法及軟件Spider的作者。
 
　　Frank 師從德國(guó)著名的電子顯微學(xué)家Hoppe博士，Hoppe學(xué)派主張對(duì)任意形狀樣品直接三維重構(gòu)，后來(lái)的電子斷層三維重構(gòu)及cryoEM三維重構(gòu)技術(shù)都與他的早期思想有關(guān)。Frank博士提出基于各個(gè)分散的全同顆粒(蛋白)的二維投影照片，經(jīng)過(guò)分類對(duì)位平均，然后三維重構(gòu)獲得蛋白的三維結(jié)構(gòu)，發(fā)展了一系列算法并編寫軟件(SPIDER)實(shí)現(xiàn)無(wú)需結(jié)晶的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)解析技術(shù)。尤其在核糖體三維重構(gòu)方面有一系列的重要開(kāi)創(chuàng)性工作，可惜當(dāng)年核糖體結(jié)構(gòu)諾貝爾獎(jiǎng)沒(méi)有給他。現(xiàn)在給他在cryoEM單顆粒三維重構(gòu)的一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)，實(shí)至名歸。
 
　　“不務(wù)正業(yè)”的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)
 
　　諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)是以瑞典著名化學(xué)家、硝化甘油炸藥發(fā)明人阿爾弗雷德·貝恩哈德·諾貝爾的部分遺產(chǎn)作為基金創(chuàng)立的5個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)之一，從1901年至2016年，共頒發(fā)了108次，擁有175位獲獎(jiǎng)?wù)摺?/span>
 
　　2007年-2016年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)情況如下：
 
　　2007年：諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予德國(guó)科學(xué)家格哈德·埃特爾，以表彰他在“固體表面化學(xué)過(guò)程”研究中作出的貢獻(xiàn)。
 
　　2008年：美國(guó)Woods Hole海洋生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的下村修、哥倫比亞大學(xué)的Martin Chalfie和加州大學(xué)圣地亞哥分校的錢永健因發(fā)現(xiàn)并發(fā)展了綠色熒光蛋白(GFP)而獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)。
 
　　2009年：英國(guó)生物學(xué)家萬(wàn)卡特拉曼·拉瑪克里斯南(Venkatraman Ramakrishnan)、美國(guó)科學(xué)家托馬斯·斯泰茨(Thomas A. Steitz)和以色列女生物學(xué)家約納什(Ada E. Yonath)因在核糖體結(jié)構(gòu)和功能研究中的貢獻(xiàn)共同獲該獎(jiǎng)。
 
　　2010年：美國(guó)德拉威爾大學(xué)的Richard F. Heck、普渡大學(xué)的Ei-ichi Negishi以及日本倉(cāng)敷藝術(shù)科學(xué)大學(xué)的Akira Suzuki，他們發(fā)明了新的連接碳原子的方法，獲得2010年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
 
　　2011年：以色列科學(xué)家達(dá)尼埃爾·謝赫特曼因準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)而獲得2011年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
 
　　2012年：美國(guó)科學(xué)家羅伯特·萊夫科維茨和布萊恩·克比爾卡因“G蛋白偶聯(lián)受體研究”獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
 
　　2013年：諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家馬丁·卡普拉斯、邁克爾·萊維特和阿里耶·瓦謝勒，以表彰他們?cè)陂_(kāi)發(fā)多尺度複雜化學(xué)系統(tǒng)模型方面所做的貢獻(xiàn)。
 
　　2014年：諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了美國(guó)科學(xué)家埃里克·貝齊格、威廉·莫納和德國(guó)科學(xué)家斯特凡·黑爾，以表彰他們?yōu)榘l(fā)展超分辨率熒光顯微鏡所作的貢獻(xiàn)。
 
　　2015年：瑞典科學(xué)家托馬斯·林達(dá)爾、美國(guó)科學(xué)家保羅·莫德里奇和土耳其科學(xué)家阿齊茲·桑賈爾因在DNA修復(fù)的細(xì)胞機(jī)制研究上的貢獻(xiàn)而獲得2015年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
 
　　有意思的是，自1901年首次頒獎(jiǎng)以來(lái)，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被多次頒發(fā)給生物、生物化學(xué)、生物物理、物理等領(lǐng)域，可謂是“不務(wù)正業(yè)”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001年至2016年，在已頒發(fā)的15個(gè)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)中，與生物相關(guān)的化學(xué)獎(jiǎng)達(dá)10次之多。