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冷冻电镜 凭什么获诺奖? <近报 新闻 时间:2017年10月13日 来源:近报
冷冻电镜
凭什么获诺奖? 冷冻电镜是个啥? 冷冻电镜它首先是一个电子显微镜。 光学显微镜利用可见光作为探针来观测微观物体,比如光学显微镜可以观察细胞。但是,对于细胞内的蛋白质分子,光学显微镜就看不见它了。 原因很简单,光学显微镜利用的是光子的波动性,而光子的波长大概在500纳米左右。蛋白质分子大小在1-100纳米之间,所以光子的波长比蛋白质分子还要大,因此光波能绕过蛋白质分子,也就看不到蛋白质了。 电子的波长是光子波长的十万分之一左右,理论上它打在蛋白质分子这类生物大分子身上能被反射,这些反射的电子就能产生一张照片,这就是电子显微镜的基本原理。 然而,电子显微镜也只是在理论上可以看到蛋白质分子。 因为电子显微镜一般只能用来观测一些无机样品,比如它可以看石墨的表面,也可以看陶瓷的表面。但一旦让电子显微镜的电子去轰击蛋白质分子这类生物大分子的时候,问题就出来了。 第一个问题是真空问题,电子显微镜的电子只能在真空中飞行的时候才能保持稳定的动能。而蛋白质这类生物大分子一般处于溶液中,在真空环境下,溶液会挥发出来,污染电子显微镜。 第二个问题是电子打在蛋白质这类生物大分子上容易把蛋白质打坏了,因为电子的能量比较高,而生物大分子一般依靠氢键来形成它的空间结构,氢键的能量很低,电子打上去以后,氢键就被打断了。 第三个问题则更加严重,因为蛋白质分子这类生物大分子是有活性的,它们是运动的,电子打上去反射回来的方向会因为分子的运动而变得杂乱无章。 基于以上三个原因,所以传统的电子显微镜是看不了蛋白质分子有活性的生物大分子的。 为了解决这个困难,冷冻电镜技术应运而生。 为什么要冷冻? 冷冻电镜并不是这两年才建立的。在蛋白质X射线晶体学诞生大约10多年以后的1968年,作为里程碑式的电镜三维重构方法,同样在剑桥MRC分子生物学实验室诞生,艾朗·克卢格教授因此获得了1982年的诺贝尔化学奖。另一些突破性的技术在上世纪70年代和80年代中叶诞生,主要是冷冻成像和蛋白快速冷冻技术。 快速冷冻可以使蛋白质和所在的水溶液环境迅速从溶液态转变为玻璃态,玻璃态能使蛋白质结构保持其天然结构状态,如果以缓慢温和的方式冷冻,这个过程会形成晶体冰,生物分子的结构将被晶格力彻底损坏。 他们用液态的乙烷等快速冷冻含有水分的生物样品,这样就可以制备出很薄的水膜。冷冻完成以后,就可以用电镜来观测蛋白质等生物大分子的空间结构了。低剂量冷冻成像能够保存样品的高分辨率结构信息,确保了从电镜图形中解析蛋白质结构的可能性。 以上主要说了冷冻电镜的硬件原理。当然,为了正在解析出拍摄到的很多二维照片与生物大分子的三维空间结构之间的关系,还需要一套很好的计算机软件算法。 冷冻电镜主要是促进了结构生物学的蓬勃发展。所以,这一次诺贝尔化学奖又成了名副其实的“理科综合奖”,因为它奖励给了物理学家,而被用到了生物学研究领域。 据《知识就是力量》 三位科学家因冷冻电镜技术分享2017年诺贝尔化学奖。冷冻电镜曾成就无数科学家,2015年8月21日,清华大学生命科学学院院长施一公带领的研究团队发表了两篇研究长文,揭示了剪接体结构及其工作机理。这一成果的发表可谓突破了世界性难题,而成果背后离不开“冷冻电镜”仪器的帮忙,它是一种怎样的“神器”?冷冻电镜是个什么技术? |
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