液氮冷冻原理(冷冻电镜技术揭示生物分子细节)

Posted 2023-06-01

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液氮冷冻原理(冷冻电镜技术揭示生物分子细节)

大约300多年前，列文虎克和罗伯特·胡克发明了光学显微镜，人类首次用光学透镜窥探到了“细胞级”的微观世界。光学显微镜主要是利用光通过透明介质的折射原理，对光进行聚焦，从而实现图像的放大。目前，我们可以利用光学显微镜观察细胞运动和细胞分裂等单个细胞状态。

上世纪30年代，德国科学家恩斯特·鲁斯卡发现电子在磁场下可以发生聚焦的效应，发明了世界上第一台透射电子显微镜。透射电子显微镜的问世，使我们可以观察更为精彩的微观世界。在现代透射电子显微镜下，人们可以看到非常精细的原子结构和细胞内部结构。

如今，科学家在透射电子显微镜之上发明了冷冻电镜，实现了生物分子“近原子级”的分辨率，让人类终于可以一窥究竟生物分子是如何执行其功能。在过去几年里，冷冻电子显微镜技术逐渐成为结构生物学的重要研究工具。冷冻电镜技术的三位先驱者，也凭借对冷冻电镜技术的开拓和持续推进，获得了2017年的诺贝尔化学奖。

冷冻电镜技术的基本原理是将生物大分子溶液置于电镜载网上形成一层非常薄的水膜，然后利用快速冷冻技术将其瞬间冷冻至液氮温度下。冷冻速度非常快，以至于水膜无法形成晶体，而是形成一层玻璃态的冰。生物大分子就被固定在这层薄冰里。将这样的冷冻样品保持低温放置在透射电子显微镜下观察，从而获得生物大分子的结构，被称为冷冻电镜技术。

在透射电子显微镜下，高能电子束穿透每一个分子，如同X光穿过人的身体一样，可以拍摄到分子的形貌和它内部的结构信息。科学家们利用计算机将样本里的每一个分子提取出来，把相似的分子予以归类，然后叠加、平均获得其内部结构更为精细的图像，由此得到分子不同方向的二维结构，最后经过计算机三维重构算法，可以得到分子的三维模型。这一过程被称为冷冻电镜三维重构解析。

冷冻电镜可以通过揭示细胞里发生的生命过程细节，帮助人们了解很多有意思的生物学现象。比如，我们吃辣椒会觉得辣，是因为辣椒里有一种叫做辣椒素的小分子。辣椒素与位于舌头神经末梢的膜蛋白TPRV1结合，打开膜蛋白上的一个通道，让细胞膜外面的离子向细胞膜内部流动，这样微小的流动产生的电流通过神经纤维最终传递到我们的大脑，让我们感受到辣的感觉。2013年，科学家利用冷冻电镜技术，以近原子分辨率解析了膜蛋白TRPV1的通道结构，以及它与辣椒素相互结合的结构。人们由此了解到，实际上是由于辣椒素结合到4个亚基所组成的通道膜蛋白上把孔道撑开，才使得离子可以穿透。

除此以外，冷冻电镜技术也正在成为助力医药研发的有力手段。依托对蛋白质结构的理解，科学家正在开发更有效的抗癌药、抗生素、止痛药、麻醉剂等。

中国过去10多年里，建成了世界上最大的冷冻电镜设施。中国的科学家，也在冷冻电镜领域取得了很多举世瞩目的成就，引起了世界的广泛关注。比如清华大学的施一公团队，对老年痴呆症相关的重要蛋白质结构进行了解析，对于我们理解它的发病机理甚至开发重要治疗方法有重要意义。他们对剪接体复合体一系列结构的研究帮助我们理解细胞的演化、细胞的基因调控和其他一些相关疾病有着重要意义。在清华大学的隋森芳教授的光和反应实验中，有一个捕获光能的蛋白质复合体的重要结构被解析出来。2019年，中国科学家利用冷冻电镜技术解析到世界上目前分辨率最高的猪瘟病毒结构，这对我们了解该病毒的发病机理，以及如何更好开发疫苗具有重要意义。

冷冻电镜技术的发展，使得今天的人类可以对细胞内的生命活动有更多了解。未来，科学家将借助冷冻电镜技术继续对复杂生命体的解读。

（作者为清华大学生命与科学学院院长）

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