觀察生命的細節

苗千

2017年10月4日，瑞典皇家科學院將本年度的諾貝爾化學獎授予三位發展了冷凍電子顯微鏡技術（Cryo-Electron Microscopy），使人類得以通過極高的分辨率研究溶液中的生物分子結構的三位科學家：來自瑞士洛桑大學的雅克·杜波切特（Jacques Dubochet），美國哥倫比亞大學的喬基姆·弗蘭克（Joachim Frank），以及英國劍橋大學的理查德·亨德森（Richard Henderson）。這三位科學家將各獲得獎金的三分之一。諾貝爾委員會給出的授獎理由是：因為這三位科學家的貢獻，人類將可以很快以原子級別的清晰度觀察生命運行的機理，使人類終于獲得生物細胞的三維圖像，這對人類理解生命的本質具有重大意義，“把生物化學推動到了一個新的時代”。

認識各種蛋白質、DNA、RNA，乃至病毒的真實結構，對于人類研發藥物，乃至于理解生命的本質都有重要意義，但是在冷凍電子顯微鏡技術發明之前，想做到這一點并不容易。人類此前經常使用X射線晶體衍射的方法來探究物質的微觀結構，但是這需要物質以晶體的方式排列——這對于蛋白質來說很難實現，而且通過這種方式也無法研究蛋白質的活動特性。人類在20世紀30年代就開發出了電子顯微鏡技術，但是這種技術只能適用于沒有生命的物體——高能的粒子束會使生物細胞喪失水分，破壞細胞的微觀結構。

劍橋大學的細胞生物學家理查德·亨德森的博士課題與X射線的晶體衍射技術相關。為了探索蛋白質的結構，他一開始也試圖利用X射線成像，但到了20世紀70年代，他就轉向了電子顯微鏡技術，希望能夠有所突破。想要利用電子束來對生物細胞進行成像，面臨著許多實際問題。電子顯微鏡通常需要在真空環境中進行工作，如何制備樣品，如何保存生物細胞中的水分，又如何讓電子束不會破壞掉樣品的結構，都是需要解決的難題。

英國劍橋大學的理查德·亨德森

最初科學家們想利用電子顯微鏡獲得生物細胞的圖像，需要先使用一種特制的薄膜包裹住樣品，然后用強度極低的電子束對其進行成像。這種手段獲得的圖像精度有限。在20世紀70年代，理查德·亨德森與他在劍橋大學的合作者奈杰爾·安溫（Nigel Unwin）做出了一個重大突破，他們使用葡萄糖溶液替代樣品中的水分，并且采取了新型的樣品制備方式，可以在常溫下用極低強度的電子束進行樣品成像，使電子束對樣品的損害降到最低，從而首次獲得了清晰的樣品結構圖像。

喬基姆·弗蘭克從20世紀70年代開始研究一種圖像合成算法，可以將同一樣品在不同角度拍攝的二維電子顯微鏡圖像合成為三維圖像——這需要對每一個樣品的位置和朝向都做出準確判斷。對于生物樣品來說，不同的樣品很少有完全相同的結構，而且在樣品中還有可能含有雜質。因此想要進行判斷和計算，就需要能夠辨別同一樣品各種各樣的不同狀態。在1981年，喬基姆·弗蘭克與合作者馬林·凡·黑爾（Marin van Heel）得出一種方法，可以將樣品圖像根據不同的朝向歸類，同時分析樣品的結構特點。喬基姆·弗蘭克在此基礎上開發了眾多用于樣品圖像分析的算法，他將這些算法綜合起來，形成一套被稱為“SPIDER”的電腦程序供科學界使用。這些算法對于低溫電子顯微鏡技術至關重要。

如果能夠在低溫條件下觀測樣品，會防止樣品中水分的蒸發，電子束對于樣品的損害也會降低。但另一方面，在低溫條件下樣品中的水分有可能凝結成晶體，這種晶體結構會對電子束造成強烈的散射，影響成像，而且樣品中水分的晶體結構也有可能破壞樣品自身的結構。這些技術上的困難在20世紀40年代就已經被人注意到，逐漸有人開始意識到，這些難題可以通過對樣品進行快速降溫，使樣品中的水分無法結晶，而是呈現出一種玻璃化的狀態來解決，這樣就有可能在低溫條件下獲得樣品高精度的圖像。

左圖：瑞士洛桑大學的雅克·杜波切特 右圖：美國哥倫比亞大學的喬基姆·弗蘭克（右）

在理論上，讓水在低溫狀態下維持一種玻璃化的固體形態，可以使樣品在電子顯微鏡中更清晰地成像，這已成為科學家們的共識。但在實際操作中，是否有可能讓大量的水分達到這樣的狀態，直到20世紀80年代之前還眾說紛紜，很多人對此充滿懷疑。直到1981年，這個問題才被真正解決，雅克·杜波切特與合作者阿拉斯戴爾·麥克道爾（Alasdair McDowall）終于在實驗中得到了玻璃化的固態水。他們把水噴灑在碳薄膜的表面，然后將其浸入到溫度為-190攝氏度的液態乙烷中，再使用液氮保持低溫狀態。這種玻璃化的固態水在低溫電子顯微鏡中可以非常均勻地吸收電子，達到一種理想的觀測狀態，而這種狀態在其被加熱到-140攝氏度的條件下又會被破壞，玻璃化的固態水會轉變為晶體。理查德·亨德森認為，雅克·杜波切特所完成的正是低溫電子顯微鏡中“低溫”這一部分，他是這個領域真正的開拓者。

如今低溫電子顯微鏡已經成為結構生物學的關鍵技術，這項技術仍然在不斷進化，所能夠達到的分辨率也在不斷提高。現在這種技術已經可以為科學家們提供生物細胞原子級別的清晰圖像。在2016年，人類正是通過這種技術得知寨卡病毒的結構，理解病毒攻擊細胞的原理。人類也正在通過低溫電子顯微鏡技術理解生命更深刻的奧秘。而這三位科學家獲得諾貝爾化學獎，也會讓人們開始思考化學這門學科的本質。

阿爾弗雷德·諾貝爾先生本人就是一位化學家，但近年來諾貝爾化學獎的光芒常常被物理學獎所掩蓋。就連很多化學家們也會開玩笑說，諾貝爾化學獎從來不頒發給真正的化學家，而是會頒給物理學家或是生物學家。化學的研究領域確實沒有物理學廣闊，它是一門專注于分子層面的科學。2016年的諾貝爾化學獎頒發給了幾位發現新型化學鍵的科學家，而本年度的化學獎頒發給幾位開拓出全新的方法觀察分子結構的科學家，這幾位科學家通過不同的手段，都讓人類在分子層面對自然界有了更深刻的認識，這正是化學的迷人之處。

熱門人選

對于化學獎，湯森路透今年給出了這樣的預測名單：第一組：美國加州理工大學退休教授約翰·伯考（John E. Bercaw）、美國加州大學伯克利分校特聘教授羅伯特·伯格曼（Robert G. Bergman）、俄羅斯科學院謝苗諾夫化學物理研究所高級研究員格力蓋伊·舒爾平（Georgiy B. Shul'pin）等三人對C-H鍵官能團化做出了重大貢獻。這三位科學家都是著名的有機化學家，在金屬有機催化劑研究領域都做出了杰出的貢獻，他們的研究成果早已應用于工業生產領域。

第二組：出生于丹麥的理論物理學家、美國斯坦福大學工程學院教授、普雷科特能源研究院高級研究員楊·諾斯科夫（Jens K. Norskov）。他在固態表面非均相催化的理論和實踐方面的基礎性突破。

第三組：日本桐蔭橫濱大學生物醫學工程學院、工程學研究生院光電化學與能源科學教授宮坂力（Tsutomu Miyasaka），韓國成均館大學化學工程學院教授樸南圭（Nam-Gyu Park），英國牛津大學克拉倫登實驗室物理學教授亨利·斯奈思（Henry J. Snaith）。湯森路透給出的獲獎理由是，高效能量轉換效率的光伏材料的發現及應用。

日本桐蔭橫濱大學生物醫學工程學院、工程學研究生院光電化學與能源科學教授宮坂力

不過，名單上的幾位科學家并沒有出現在獲獎人名單上。2017年的諾貝爾化學獎頒給了在冷凍電子顯微鏡技術方面做出杰出貢獻的三位科學家。湯森路透的預測是基于科學家的論文引用次數做出的判斷，引用次數的高低反映的是一位科學家近些年來的活躍程度以及某些學科近些年的熱度。而在評獎方面，瑞典皇家科學院是比較保守的，輕易不會冒險授予未經時間充分檢驗的成果的。畢竟在這方面，瑞典皇家科學院是有過教訓的。endprint