2017年诺贝尔化学奖:冷冻电子显微镜


【概要】Jacques Dubochet,Joachim Frank和Richard Henderson利用冷冻电子显微镜,测定出了溶液中生物分子的高分辨率结构,并据此获得了2017年诺贝尔化学奖。

【图注】在过去几年中,研究人员已经发表了许多蛋白质复合物的原子结构。

(a)控制昼夜节律的蛋白质复合物。

(b)在人耳分贝范围内读取耳朵压力变化的传感器。

(c)Zika病毒。

鉴于他们开发了冷冻电子显微镜,并将其使用于溶液中生物分子的结构测定,甚至得出了高分辨率的结构测定结果。瑞典皇家科学院决定将2017年诺贝尔化学奖颁发给瑞士洛桑大学的Jacques Dubochet、美国纽约哥伦比亚大学的Joachim Frank以及来自英国剑桥分子生物学MRC实验室的Richard Henderson。

冷显微镜技术改革生物化学领域

我们有可能将在原子分辨率的级别,获得生命体的复杂机械详细图谱。2017年诺贝尔化学奖的获得者Jacques Dubochet,Joachim Frank和Richard Henderson,他们致力于开发低温电子显微镜,在简化的同时改进了生物分子的成像模式,这种方法使得生物化学进入了一个新的时代。

图片是科研的关键,科学突破往往建立在人眼不可见物体的成功可视化之上。然而,生物化学图谱长期以来存在技术空白,这是因为可用的技术难以产生大量生命体的机械图像。冷冻电子显微镜改变了这一切,研究人员现在可以将从未见过的生物分子中间运动情况变为可视化过程,这对生物化学的基础研究和制药领域的发展至关重要。

电子显微镜长期以来被认为只适用于死亡物质的成像,因为强大的电子束会破坏生物材料。但是在1990年,Richard Henderson 成功地使用电子显微镜在原子分辨率上产生了蛋白质的三维图像,这一突破证明了此项技术的潜力。Joachim Frank使该项技术逐步得到应用,在1975年至1986年间,他开发了一种图像处理方法,分析合并电子显微镜的模糊二维图像,使其显示出尖锐的三维结构。

Jacques Dubochet将水添加到电子显微镜中,液体水在电子显微镜的真空中逐步蒸发,这使得生物的分子结构被瓦解。在20世纪80年代初,Dubochet成功地将水玻璃化-即迅速冷却水,使其以液体形式固化在生物样品周围,使得生物分子即使在真空中也能保持其自然形态。

在这些发现以后,电子显微镜的每个螺母和螺栓均已被优化。2013年达到了理想的原子分辨率,研究人员现在可以定期制造生物分子的三维结构。而在过去几年中,科学文献充斥着从抗生素抵抗的蛋白质到Zika病毒表面的各种图像。生物化学领域正在面临爆炸性的发展,一切都是一个令人兴奋的新未来。

文献链接:Nobel Prize in Chemistry 2017: Cryo-electron microscopy
本文由材料人编辑部李妹编辑,点我加入材料人编辑部

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