2017诺贝尔化学奖得主:在原子层面看清生命的本质

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发布日期:2017年10月05日 所属分类:人物
2017诺贝尔化学奖得主:在原子层面看清生命的本质

2017年诺贝尔化学奖获得者之一理查德•亨德森(Richard Henderson)在剑桥大学分子生物学实验室里手持bacterio rhodopsin模型。| Frank Augstein/AP

见人所未见的世界,一直是科学探索的一个目标。但如何去见呢?理论在先,还是工具改进在先?

比如量子理论,是典型的概念带来实践和认知革命,而工具改进是否也会带来类似革命?2017年诺贝尔化学奖对这一问题做了一个交待。

英国科学家理查德·亨德森、美国科学家约阿希姆·弗兰克以及瑞士科学家雅克·杜博歇因为在冷冻显微术领域的贡献而获诺奖。

消息宣布后,不少科学界人士善意地调侃说,三个搞物理工作的“工匠”得了个化学奖。科学界利用三人不断改进的技术,得以高分辨率测定溶液中的生物分子结构,而又不破坏其形态,这一突破对生物化学产生了革命性影响。

正如化学奖评选委员会成员彼得·布热津斯基所说,今年的化学奖是跨学科研究的一个典型,技术在科学发现中正发挥越来越重要的作用。

在原子层面看清生命的本质

在过去的数年间,大量令人惊叹的高清分子结构图片充满着各类文献。

当研究人员开始怀疑寨卡病毒和发生在巴西境内导致大量新生儿出现大脑损伤的“小头症”有关联时,他们利用冷冻电镜技术对病毒进行了直接成像(见下图)。在短短数月内,原子层面分辨率的寨卡病毒的立体三维图像便产生出来了,科学家们基于这些成果迅速研发相应药物。

这只不过是冷冻电镜技术(Cryo—EM)应用领域内一个案例。

2017诺贝尔化学奖得主:在原子层面看清生命的本质

利用低温冷冻电子显微术(Cryo—EM)拍摄的寨卡病毒图像。| Wikipedia

图像是知识的载体和基础。在20世纪上半叶,生物分子——比如说蛋白质,DNA以及RNA都是生物化学地图上无法填充的空白区。科学家们知道这些物质在细胞内扮演着关键性作用,但我们无从知晓这些物质本身究竟是什么样的结构。直到1950年代,当英国剑桥大学的科学家们开始探索利用X射线研究蛋白质晶体结构时,这一问题才开始崭露曙光——这是历史上第一次,人类开始有可能将这些物质繁复缠绕的复杂结构用可视化的方式呈现出来。

到了上世纪1980年代,X射线晶体学成像方法得到了核磁共振(NMR)技术的帮助,用于研究固体状态或者溶液中的蛋白质结构。这项技术不仅揭示蛋白质的结构,还能研究蛋白质的运动及其与其他分子之间的相互作用。正是因为有了这两种技术的帮助,我们现在才会有囊括了数以千计生物分子模型的数据库可以使用,这些数据库现在被应用在从基础研究到制药公司的各行各业。

然而,这两种技术都有着基础性缺陷。对溶液内样品使用核磁共振技术对样品本身有限制,它只能应用于相对较小的蛋白质。而X射线晶体学方法要求必须首先将样品制作为晶体,比如进行低温冻结。即便如此,最终拍摄出来的图像看上去的效果仍然就像早期相机拍出的黑白照片,科学家们很难从这些模糊不清的图像中提取到关于蛋白质动态下的有价值信息。

另外,很多分子是很难制备成晶体样本的,这一缺陷最终让理查德·亨德森在1970年代下决心放弃X射线晶体学方法——而这,正是今年诺贝尔化学奖获奖成果故事的开端。

雅克·杜博歇、约阿希姆·弗兰克以及理查德·亨德森的突破性贡献让冷冻电镜技术得以成为现实。这项技术将生物化学技术带入了一个崭新的时代,让科学家们获取高分辨率生物分子图像变得前所未有的容易。

“电镜鼻祖”——亨德森

“我一直觉得如果你做一些有趣的事情并且把它做好了,那么在某个阶段你就会因为做你喜欢的事情而获得很好的回报。”英国剑桥大学的分子生物学家亨德森几年前的预言今天应验了。

亨德森生于1945年,作为电子显微镜领域的开创者之一,他也是个生物物理学家,以一个物理学家的特有眼光看待生物化学领域,或许总能获得别样的思路。“我把从事的研究当成了一项吸引人的爱好,因为从来不会重复,总有新东西。”

把研究当爱好,就仿佛孩子爱玩并好奇周围一切一样,让亨德森在上世纪90年代才思泉涌,改进了传统电子显微镜,取得了原子级分辨率的图像。人们因此得以看到极其微观层面的世界。

研究不是亨德森唯一的爱好,他日常喜欢遛狗、划皮划艇、喝点葡萄酒,与孙子一起踢足球,还一直是个电影迷。

“我很幸运获得了这么好的教育,同时又有时间去从事其他活动。”亨德森说,他和几个朋友经常花很多时间在一起收集并维修一些老爷车,他们曾开着一辆1948年的老爷车游遍了苏格兰。

2017诺贝尔化学奖得主:在原子层面看清生命的本质

从左至右分别为:雅克·杜博歇(Jacques Dubochet),阿希姆·弗兰克(Joachim Frank),理查德·亨德森(Richard Henderson)。

“跨界奇才”——弗兰克

77岁的德裔美国科学家弗兰克如今是哥伦比亚大学生命科学系教授。他的主要贡献是在上世纪70、80年代开发了一种图像合成算法,能将电子显微镜模糊的二维图像合成清晰的三维图像。

弗兰克物理学背景深厚,说他是物理学家也不为过。在德国的大学里,他研究的是熔点下的金的电子衍射,读博士时,接触了X射线晶体学,并师从德国著名的电子显微学家霍佩博士,并由此接触到了电子显微镜。

1970年弗兰克在德国慕尼黑理工大学获得博士学位后,获得了资助前往美国最好的几个实验室游学两年,其中包括美国航天局的喷气推进实验室。而在喷气推进实验室工作期间,他选择去学习图像处理技术。当时的他,怎么也不会想到他的这些功课日后会与化学有关联。

此后,弗兰克在英国剑桥大学从事电子光学研究。几年后又定居美国,从事一些与电子显微镜相关的公共卫生研究。丰富的“跨界”学术经历对他的成长很有帮助。

弗兰克发展了一系列成像算法并编写软件,实现无需结晶的蛋白质三维结构解析技术。尤其在核糖体三维重构方面有一系列的重要开创性工作,可惜当年解析核糖体结构而获诺贝尔奖的科学家不包括他。现在他在冷冻显微术领域获诺贝尔奖,实至名归。

“科学哲人”——杜博歇

如果说,亨德森和弗兰克在基本理论实践和重构算法方面有贡献,75岁的瑞士洛桑大学荣誉教授雅克·杜博歇则在样本制作方面有开创性贡献。

上世纪80年代,杜博歇发明了迅速将液体水冷冻成玻璃态以使生物分子保持自然形态的技术。通俗地说,生物细胞内的水一旦冷冻就会结冰,而这些冰晶会破坏细胞内各种物质的原有形态。让这些水变成玻璃态,就能让细胞内的各种分子保持原样,供电子显微镜观察。

杜博歇做出开创新研究之后,随着冷台技术的开发,低温冷冻电子显微技术才正式推广开来。2015年,这一成果已被同行认为是“诺奖级”。

杜博歇不仅是一位科学家,还堪称“哲人”。退休后,他在博客上经常写一些富有哲思的短文。他还广泛关注社会问题,提倡科学家要有社会责任感,成为“公民科学家”。他在一篇题为《教科学家成为公民》的文章中写道:“成为一名好科学家很难,成为一个好公民更难”,“成为一名好的公民生物学家需要一点哲学和历史,加上一些经济学和法律知识”。

“抓拍”生命分子的高清照片

在生物体内,无数复杂分子不断地运动着,形成又拆解、结合又分离,通过这些过程来实现各种生理功能。如果能任意“抓拍”高清照片、看清某个分子在特定瞬间的模样,将使我们更深入地理解生命如何运作。低温冷冻电子显微术(Cryo—EM)就是这样一种“抓拍”手段。

生物分子的功能很大程度上取决于它们的结构,不清楚一个分子的三维结构,就不能算是了解它。但是,用来观测的波长决定了可观测的尺度。可见光的波长比分子尺寸大很多,因此光学显微镜在这方面无用武之地,好比量腰围的软尺量不出头发丝的粗细。

过去约一百年来,对生物分子结构的研究主要依赖于X射线晶体学,即通过X射线在晶体里的衍射情况推断原子在空间里的排列,这项技术曾揭示了DNA双螺旋等诸多重要结构。

X射线波长较短,成像可以达到很高的分辨率,但它只能分析晶体——分子必须在空间中整齐有序地排列,才能形成衍射图样。生物体内的很多大分子难以结晶,没法让它们“列队摆拍”;还有些分子虽然能结晶,但要先改头换面一下才行,拍不到它们的“工作照”,而科学家感兴趣的正是分子在生物体内溶液中活跃运作的样子。

于是,人们把目光转向了另一种高精度观察工具——电子显微镜。

电子显微镜利用原子对电子的散射来揭示物质结构,电子能量越高、速度越快,“尺子”的刻度越精细。但电子束会破坏生物细胞和分子,而生物材料在电子显微镜下的成像能力差,即使用最强力的电子束透射,图像对比度也很低。这就需要在样本制备和操作上想办法,尽量减少电子束带来的破坏、增强对比度。

2017诺贝尔化学奖得主:在原子层面看清生命的本质

1975年发布的首个细菌视紫红质粗略模型。图源《自然》第257期28至32页。

20世纪80年代初,工作于欧洲分子生物学实验室的雅克·杜博歇提出了“急速冷却”方案,奠定了低温冷冻电子显微术样本制备与观察的基本技术手段。冷冻可以对样本起到保护作用,但通常的冷冻过程中,样本里的水会结成冰晶,可能使物质结构发生改变。更重要的是,冰晶会“喧宾夺主”,使电子发生强烈衍射,干扰观测。杜博歇用液氮对生物大分子溶液薄膜进行瞬间冷冻,使水来不及结晶而是形成无定形的“玻璃态”,就不会产生衍射。

电子显微镜观测的样本通常是只含一层分子的薄膜,可以视为二维的。对大量散布的同一种分子拍摄二维图像,再把这些图像整合起来,就可以得到该分子的三维图像。20世纪70年代,在纽约沃兹沃思研究中心工作的约阿希姆·弗兰克开始进行这种“三维重构”的理论研究,开发出了多种数学工具和图像处理方法。

1990年,英国剑桥分子生物学实验室的理查德·亨德森小组报告了他们对一种色素蛋白进行的三维重构,这项成果是低温冷冻电子显微术的重要里程碑,证明“冷冻样本-二维成像-三维重构”的确可以得到高分辨率的三维图像。它标志着一种研究生物大分子结构的新方法已经成形,其思路与X射线晶体学迥异,可以给生物体内溶液中、处于工作状态的分子“抓拍”快照。

不过此后相当长时间里,低温冷冻电子显微术的精度都不太高,无法与X射线晶体学相比。这里既有观测手段的原因,也有计算机发展水平的限制。

近几年来,传统的电子显微术照相机被可以直接检测电子的设备取代,解决了图像转换导致细节丢失的问题,这个重大进展也是亨德森的贡献。辅以新的高分辨率图像处理算法,以及突飞猛进的计算机运算能力,低温冷冻电子显微术的“高清时代”终于来临,例如2016年发布的谷氨酸脱氢酶结构,分辨率达到了1.8埃(1埃=10-10米)。(综合新华社及诺贝尔奖官方等资料)

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