一年一度的诺贝尔化学被授予雅克Dubonnett，在瑞士洛桑大学的科学家，以约阿希姆弗兰克，美国哥伦比亚大学的科学家，和理查德·亨德森，在剑桥，英国大学的科学家表彰他们的研究发展。生物分子的高分辨率结构的“冷冻电子显微镜”技术的显着贡献。到电子显微镜，人们会很熟悉：这是一个更高的分辨率比光学显微镜和微观世界可以用光学显微镜可见的工具。么，什么是低温电子显微镜？它不会冻结电子显微镜。什么使用这种低温电子显微镜技术来研究生物分子的结构？这三位科学家30多年前的研究情况如何？价格委员会的青睐？让我们来发现这些问题的答案。
“三个结构的火枪手”毫无疑问，电子显微镜是科学家用来探索微观世界的工具。是这个缩影并不是一般化的，而是涵盖了几个数量级。般来说，在生物学的微观世界，我们认为多种寄生虫和细菌，从几百微米到几微米大小不等的。反，头发直径可能小于100微米。了看到这样的微结构，有必要使用光学显微镜。好的光学显微镜可以看到细胞内细胞器的结构，冷库安装甚至可以使用特殊技术看到单个蛋白质分子。物理学的微观世界中，我们想到了分子和原子。“看”单个原子，只能通过隧道扫描或原子力显微镜观察，但这些装置受样品观察的许多限制，实际应用相对较窄。子显微镜被广泛使用：虽然它不能直接观察单个原子，但电子显微镜可以让微观世界提供更清晰，更准确和更详细的照片。一个世纪以来，生物学家还需要观察分子水平，甚至是原子微观世界。杂的细胞和细胞器是由各种生物分子，包括蛋白质等生物大分子，其中最直接的作用是“看”其三维结构，即确定组成。白质分子的数千个原子的三维坐标。究生物大分子结构的科学是结构生物学。定蛋白质的结构并不容易。白质大小从几纳米变化到几十纳米或小于单元少1000倍，比可见光的波长还少的，从而超过光学显微镜的极限。了描述蛋白质的每个原子的坐标，甚至像纳米这样的单位太“大”。物学家使用长度单位“埃”，意思是10到10米，或0.1纳米。了探索“艾”级的微观世界，科学家们开发了三种不同的方法，称为“三火枪手结构”。中最古老的是X射线晶体学，它通过蛋白质晶体上的X射线衍射计算蛋白质的结构。方法是最成熟和最常用的，观察到的蛋白质结构具有最高的分辨率，达到1埃的水平，清楚地区分每个原子的确切位置。而，X射线晶体学必须首先使蛋白质结晶，这些蛋白质并不总是以透明晶体排列，这限制了该方法的应用。
个火枪手中的第二个是核磁共振方法。方法不需要结晶并且允许直接测定溶液中蛋白质的结构，但蛋白质的大小具有局限性。太大的蛋白质产生的核磁共振光谱太复杂并且重叠变得难以辨认。外，难以通过使用由多种蛋白质组成的蛋白质复合物的核磁共振方法直接观察结构。个火枪手中的最后一个是电子显微镜。然电子显微镜利用电子束取代的光束，它可以理论上超过可见光的波长限制，但遇到很多困难实际观察到的生物大分子的结构。年三位诺贝尔化学奖获得者的工作旨在从不同角度解决这些困难。过二维晶体电子显微镜研究生物大分子结构的第一个困难是电子束本身的强大破坏力。单来说，电子束的电子以很快的速度到达。果它们与样品相互作用，则意味着它们在其上“种植”。种冲击产生的能量被样品本身吸收，这可能导致其破坏。多无生命的样品在电子束轰击下经历了明显的可见损伤，更不用说脆弱的蛋白质了。果说该方法操作简单，任何人都可以想起来，也就是说，削弱了电子束的强度，削弱到一定程度的不显著的伤害蛋白质样品。问题仍然存在：弱电子束成像较弱，如何获得清晰的成像电子显微镜？ Richard Henderson的贡献就在这里。最初从事X射线晶体学在这种传统方法的研究，他在二维晶体的应用灵感来自反射电子显微镜。们所指的晶体通常是指三维晶体，其中原子或分子在任何方向上周期性排列。X射线晶体学通过周期性排列的光栅产生的X射线衍射效应提供微观结构的宏观信号。而，三维晶体太厚并且电子束的穿透损失太大。德森使特定蛋白以形成两维晶体，设置在水平顺序的薄的蛋白质层，然后在电子束照射，由网络的衍射增强信号。这一年中，亨德森应用二维晶体法获得细菌视紫红质的三维结构。种蛋白质是一种膜蛋白，我们的眼睛可以看到并用于视紫红质。惜的是，两年前，结构生物学家已经解决了蛋白质X射线晶体学，这是缺少在Henderson和诺贝尔与其相关的结构。而，亨德森获得的结构是通过电子显微镜确定的最古老的生物分子结构。“逮捕照片”全息我们看到这种在欧洲和美国电影的许多情节：犯罪嫌疑人被警方捕获后，他们会拿自己的品牌，使三幅图片，以规则的墙壁 - 一个前面，一个在左边，一个在右边。
无疑问的是逮捕这三张图片的作用是建立犯罪嫌疑人，可如果拍摄的人在另一个图像有关的犯罪进行拍照很容易识别的轮廓。象一下，如果不仅要建立一个人的平面照片文件，而是建立一个人的头部的三维模型？事实上，这并不困难，只要360°给他一系列没有僵局的头像照片。的。前的计算机建模程序可以轻松完成这些任务那么，我们可以复制这个想法来研究生物大分子的结构吗？约阿希姆弗兰克给出了明确的答案。20世纪80年代，他提出并完善了电子显微镜的单粒子重建技术，消除了蛋白质形成二维晶体的需要。言之，二维晶体只有薄薄的一层，这似乎是比形成的三维晶体容易得多，但二维晶体的难度不是从非常不同的一个三维水晶。名思义，单颗粒重构技术仅需要单个颗粒的蛋白质，没有任何形式的结晶。体而言，弗兰克首先在电子显微镜下拍摄了分散在载体上的相同蛋白质分子的“照片”。拍照时，一些蛋白质可能是“向前”而另一些是“向下”或“向左”或“向右”。果您采集足够的样本并且有足够的照片，弗兰克可以在不同的方向上获得蛋白质的“图片”，就像全息“停止拍摄”一样。后，可以通过数学计算重建该蛋白质的三维结构模型。可以想到一个问题：蛋白质分子不仅有表面原子，还有内部原子。果你只能拍摄表面的照片，你怎么知道里面的结构信息？事实上，这里提到的“照片”并不是真正的照片。为它是在样品下接收的电子束透射后形成的投影图像。一预测是也从在阳光纯黑色阴影不同的，因为电子束是由蛋白质渗透，并因此影响该蛋白质的内部原子，具有内部的结构信息。果，蛋白质的最终重建是蛋白质的完整三维结构。德森和弗兰克·冰玻璃的贡献似乎是不够的，解决蛋白质结构的电子显微镜研究的问题，但有少技术，守信用“冻结”在低温电子显微镜，刚刚雅克。·DuPontnett的贡献。们都知道生活离不开水。数的生化反应一直在活细胞中发生，其中许多涉及水分子的参与。对我们来说不是水的唯一含义。
果我们可以直接在微观世界在原子水平降低，我们会发现，在水溶液中的蛋白质的表面牢固地被水分子的几层抓住，而且即使水分子有密切的关系在蛋白质里面。些水合层是蛋白质表面的润滑剂，对蛋白质溶解于水和功能的能力至关重要。以说离开水的蛋白质不是蛋白质的真正方面。学家希望看到蛋白质的真实面貌。水溶液中测量NMR，在水溶液中形成X射线晶体学的晶体，并在内部充满水。
于低温电子镜结构的分辨率太弱而无法精确定位原子坐标并提供结构细节，因此其应用非常有限。种情况在过去的两三年里没有太大变化，其起源始终是技术进步。电子显微镜技术的众多改进中，最重要的可能是中国科学家程一凡等人成功开发电子束成像元件。成像过程去除了最初通过电子束轰击成像的荧光屏。述微电子元件直接检测电子的流动，作为CCD感觉轻，从而极大地提高了图像的锐度，并且允许即时成像成为可能通过即时成像技术，科学家可以在电子显微镜下记录图像的图像，然后将其分解成静止图像的帧，有效地解决拍摄期间样本的偏移。机使用数字图像稳定功能进一步增强图像的清晰度。这一系列新技术的推动下，低温电子显微镜方法的分辨率最终开始接近“A”水平。这一年里，程一凡和他的同事在该领域应用的新技术来分析受体辣椒素，在人体体温的关键蛋白质的三维结构，并在科学表现出一个光明的未来结构生物学研究。那时起，越来越多的结构生物学家开始尝试低温显微镜来研究蛋白质的结构，并以高分辨率产生了一些重要的结构性结果。如，细胞器，如剪过大，在晶体学研究进行结晶，施一公团队清华大学利用低温电子显微镜分析成功的三维结构。生物大分子组成这个庞大的“分子机器”的结构的研究中，低温电子显微镜具有难以实现与X射线晶体学和核磁共振的技术的巨大优势。天，低温显微镜的三维重建是结构生物学中最受关注的研究重点。然程一凡和施一功的作品没有给自己带来诺贝尔奖，但他们间接地为电子镜领域的诺贝尔奖做出了贡献。以想象，这个奖项不可避免地吸引了科学界对低温电子显微镜的关注和热情。天，最低温电子镜结构的分辨率仍然是围绕3埃，只有少数病例可达到约2埃，但随着新技术和新方法，原子分辨率达到的出现当然是1埃。平移动，它成为一种与X射线晶体学一样重要的结构生物学方法。编辑]庞云
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