人類首次看到了單個原子

法孤丹

低溫電子顯微鏡

通過低溫電子顯微鏡，研究人員能夠前所未有地看到蛋白質的細節。

通過低溫電子顯微鏡獲得的蛋白質結構圖

今天，顯微鏡技術取得革命性突破——人類首次看到了單個原子，一個全新的“宇宙”即將來臨。這都要歸功于低溫電子顯微鏡的出現。

什么是低溫電子顯微鏡？它采用了一種“能夠改變游戲規則”的分子成像技術，迄今為止它已經產生了史上最清晰的圖像——原子分辨率圖，并且首次識別出了蛋白質中的單個原子。

通過低溫電子顯微鏡，研究人員能夠前所未有地看到蛋白質的細節，從而了解其工作原理，而由于蛋白質具有較強的靈活性，這些工作原理是依靠其他成像技術（如X射線晶體技術）無法輕易知道的。

這一突破性進展是在2020年5月分別由英國和德國的兩個研究團隊取得的。科學界普遍認為，未來繪制蛋白質三維結構的主要工具將是低溫電子顯微鏡，這些結構最終將幫助研究人員了解蛋白質是如何決定人體是健康或患病的，并有助于生產出副作用更少的藥物。

低溫電子顯微鏡是一項已有數十年歷史的技術，它通過電子束對冷凍的生物分子進行成像，從而得到分子的三維結構。

2013年，隨著檢測反射電子技術的進步和圖像分析軟件功能的增強，低溫電子顯微鏡的分辨率得到顯著提高，獲得了比以往任何時候都更清晰的蛋白質結構——幾乎與用X射線晶體技術獲得的蛋白質結構一樣。

X射線晶體技術是一種更古老的技術，通過利用電子對X射線的散射作用，它可以獲得晶體中電子密度的分布情況，再從中分析獲得原子的位置信息，即晶體結構。科學家們在很大程度上依靠X射線晶體技術來獲得原子分辨率的結構圖。然而，他們可能要花費數月至數年的時間才能使蛋白質結晶，而且許多醫學上重要的蛋白質無法形成有用的晶體。相比之下，低溫電子顯微鏡只需要蛋白質在純化溶液中即可。

原子分辨率圖的精確度可以達到約1.2埃（1.2×10-10米），足以準確識別蛋白質中單個原子的位置。看清這些結構有助于了解酶的作用方式，這樣一來，就能有效識別可阻斷其活性的藥物。

為了提高低溫電子顯微鏡的分辨率，這兩個團隊研究了一種名為載鐵蛋白的鐵儲存蛋白。由于該蛋白質具有非常良好的穩定性，已成為低溫電子顯微鏡的試驗用品。然后，研究小組通過技術改進來更清晰地拍攝這種載鐵蛋白。

隨著低溫電子顯微鏡技術的突破，以后在科學家們進行結構研究的時候，它將會是大多數結構研究的首選工具。特別是渴望了解原子結構的制藥公司，可能更傾向于使用它。

當然，X射線晶體技術將保留一定的吸引力。如果一種蛋白質可以結晶，那么在短時間內，就能相對有效地生成與數千種潛在藥物結合的結構圖。而低溫電子顯微鏡要生成足夠的數據，仍需要花費數小時甚至數天的時間。

因此，每種技術都有優缺點，低溫電子顯微鏡和X射線晶體技術將發揮各自的特長，在微觀世界攜手攻克難關。