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2017诺贝尔化学奖:三科学家发明冷冻电子显微镜

来源:财新网 2017-10-05 20:16




继前日和昨日分别各有三名美国科学家获得生理和医学奖、物理学奖后,2017年诺贝尔科学奖得主名单上终于出现了非美国学者。北京时间10月4日下午5点45分许,诺贝尔奖评委会主席格荣·汉森(Goran Hansson)宣布,因发明用于生物分子的高分辨率结构测定的冷冻电子显微镜(cryo-electron microscopy),瑞士洛桑大学的雅克·杜伯谢(Jacques Dubochet)、美国哥伦比亚大学的约阿希姆·弗兰克(Joachim Frank)和英国剑桥大学的理查·亨德森(Richard Henderson)获得2017年度诺贝尔化学奖。

三位获奖科学家都已七十多岁,是冷冻电镜领域的“元老派”。雅克·杜伯谢1942年出生于瑞士艾格勒,现为瑞士洛桑大学名誉生物物理学教授;约阿希姆·弗兰克1940年出生于德国锡根,现为美国哥伦比亚大学生物化学、分子生物物理学及生物科学教授;理查·亨德森1945年出生于苏格兰爱丁堡,现为英国MRC分子生物学实验室项目主任。

诺贝尔奖评委会介绍,冷冻电子显微镜将生物分子迅速冷冻(玻璃化冷冻),使其自然形状得以保留,简化并改进了生物分子的成像,这种方法使生物化学进入了一个新的时代,对理解生命的化学原理及研发药物都至关重要。

电子显微镜长期以来被认为只适用于无生命物质的成像,因为强大的电子束会破坏生物体中的生命物质。但是在1990年,理查德·亨德森成功地使用电子显微镜拍摄到原子级分辨率的蛋白质三维图像。约阿希姆·弗兰克则1975-1986年间,开发了一种图像处理方法,对电子显微镜的模糊二维图像进行了分析和融合,转化成清晰的三维结构图像。

雅克·杜伯谢则将水应用于电子显微镜。液态水在电子显微镜的真空管中蒸发,会破坏生物分子。在1980年代初,雅克·杜伯谢成功将水玻璃态化,他将水快速冷却,使生物分子即使在真空中保持其自然形状。

2013年,研究者们终于获得了理想的原子级别成像,用以制作生物分子的三维结构图像。过去几年中,科学文献充满了导致抗生素耐药性的蛋白质、寨卡(Zika)病毒表面等各种图像,生物化学正在面临爆炸性的发展。

中国晶体学会秘书长、北京大学生命科学学院生化及分子生物学系教授苏晓东向财新记者介绍,冷冻电镜是重要的结构生物学研究方法,它与另外两种技术——X射线晶体学(X-ray crystallography)和核磁共振 (nuclear magnetic resonance, NMR),一起构成了高分辨率结构生物学研究的基础,在获得生物大分子的结构并揭示其功能方面极为重要。

“目前,91%的生物大分子结构都由X射线晶体学方法获得,冷冻电镜在今年首次超过了核磁共振,解出的生物结构数目占比5%,超过了核磁共振的4%,说明冷冻电镜技术是发展最快的技术。”苏晓东说,目前冷冻电镜的发展程指数级增长,此前X射线与核磁共振技术都将大量科学家送上诺贝尔奖的宝座,未来冷冻电镜技术潜力巨大。

中国在冷冻电镜的应用领域也有很大突破,代表性工作包括清华大学的施一公研究组和剑桥大学MRC 实验室Sjors H. W. Scheres研究组合作在2015年获得的γ分泌酶复合物结构;2015 年,北京大学毛有东研究组、欧阳颀研究组与哈佛医学院吴皓研究组合作得到炎症复合体的高分辨率三维结构。

苏晓东也表示,中国虽然在冷冻电镜的应用方面与国外没有差距,“但在方法学和仪器设备创新上,中国仍与美国、德国、日本等有很大差距,都是花钱买别人最好的仪器设备,我们造不了。诺贝尔奖更看重创新,而不是跟风出成果的速度。”(生物谷Bioon.com)
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