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2017诺贝尔化学奖揭晓,表彰给生物化学带来革命性变化的冷冻电镜技术


来源:科技日报

2017年诺贝尔化学奖授予雅克·杜波切特(Jacques Dubochet),乔基姆·弗兰克(Joachim Frank)和理查德·亨德森(Richard Henderson),以表彰他们研发出能对生命分子进行三维成像的冷冻电子显微镜技术。

从左至右依次为:雅克·杜波切特、乔基姆·弗兰克和理查德·亨德森。

研究人员利用这一最新技术,可以将变化中的生物分子冷冻起来进行原子级别分辨率成像,研究前所未见的变化过程,从而对认识生命化学的分子机制和药物研发产生了决定性影响。

在过去的几年里,研究人员发布了大量复杂蛋白质复合物的原子结构。a为一个控制昼夜节律的蛋白质;b为耳内的一个感受压力变化的传感器,让我们能听到声音;c为Zika病毒。

过去几年来,揭示生命物质的分子机理的高分辨结构的研究成果层出不穷,沙门氏菌如何攻击细胞的注射针;对化疗药物和抗生素产生抗药性的蛋白质结构;通知昼夜节律的分子复合物;光合作用的光捕获反应复合物,等等。这些重要发现只是利用冷冻电镜技术进行生命分子成像的数百种研究中的几个代表而已,推动生物化学进入一个全新时代。

成像——认识生命物质的重要方式

20世纪上半年,蛋白质、DNA、RNA等生命分子是生物化学领域的一片空白地,科学家们知道它们的重要性,对它们却一无所知。

直到上世纪50年代,利用X射线成像技术,人们才首次得以拍出蛋白质晶体的螺旋状结构图片。

上世纪80年代初,核磁共振成像技术问世,人们得以对溶液中和固态的蛋白质进行成像研究,不仅进一步认识了蛋白质的结构,更获得了蛋白质如何运动及与其他分子相互作用的基本了解。

这些分子成像技术虽然为生物分子研究带来了重大突破,但由于需要对分子进行结晶,使得图像分辨率难以提升,更是无法获得蛋白质结构的动态变化,理查德·亨德森因此放弃X射线结晶技术,转向电子显微镜技术,这也是今年诺贝尔化学奖的故事开篇。

生物化学面临爆炸性的发展

长久以来,人们认为电子显微镜内的强大电子束会破坏生命物质,因此只能对死亡物质进行成像。

科研人员从原子级别发现细胞核糖体的结构。

但是1990年,理查德·亨德森成功地利用电子显微镜在原子分辨率上生成了一个蛋白质的三维图像,证明了该技术的潜力。

乔基姆·弗兰克在1975年到1986年之间开发了一种图像处理方法,使得电子显微镜在清晰地显示生物大分子的三维结构方面,成为一项普遍适用的技术。

但给具有生命活性的分子成像,样品里必须具有水分,之前的电子显微镜技术不能做到。

20世纪80年代早期,雅克·杜波切特向电子显微镜添加了水,并成功地将水迅速冷却,使样本中的生物分子在真空中保留了自然形状。

基于三位科学家的这些重大发现,电子显微镜自此得到全面优化,并在2013年达到了原子分辨率级别。

研究人员利用这一最新技术,可以将变化中的生物分子冷冻起来研究前所未见的变化过程,从而对认识生命化学的分子机制和药物研发产生决定性影响。

比如,当研究人员开始怀疑寨卡病毒引起了新生儿大脑损伤的疫情后,他们借助冷冻电镜技术对病毒进行了可视化研究,仅用几个月的时间,就获得病毒的原子级分辨率三维图像,为研发出潜在药物节约了大量时间。

几年来,从导致抗生素耐药性的蛋白质到寨卡病毒的表面蛋白,科学文献中充满着这些关键蛋白三维结构图的报道,生物化学面临着爆炸性的发展,也预示着更加激动人心的未来。

注:文中图片除注明外均来自网络

编辑:左常睿

审核:管晶晶

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